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KR101436077B1 - Light emitting element and method for manufacturing same - Google Patents

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KR101436077B1
KR101436077B1 KR1020147000982A KR20147000982A KR101436077B1 KR 101436077 B1 KR101436077 B1 KR 101436077B1 KR 1020147000982 A KR1020147000982 A KR 1020147000982A KR 20147000982 A KR20147000982 A KR 20147000982A KR 101436077 B1 KR101436077 B1 KR 101436077B1
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photonic crystal
light
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photonic
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KR1020147000982A
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유키오 가시마
에리코 마츠우라
히로미 니시하라
다카하루 다시로
다카후미 오오카와
히데키 히라야마
사치에 후지카와
성원 윤
히데키 다카기
류이치로 가미무라
야마토 오사다
Original Assignee
마루분 가부시키가이샤
도시바 기카이 가부시키가이샤
도꾸리쯔교세이호징 리가가쿠 겐큐소
가부시키가이샤 아루박
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Abstract

다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)로 이루어진 주기 구조로서, 상기 2개의 계(구조체)의 계면이 브래그 산란의 조건을 충족하고 또한 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조를 광취출층에 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.(Structural body) having different refractive indexes, wherein the interface of the two systems (structures) satisfies the conditions of Bragg scattering and the photonic crystal periodic structure having a photonic band gap is provided in the light- The semiconductor light emitting device comprising:

Description

발광소자 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING ELEMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a light emitting device,

본 발명은 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 LED의 고성능화에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light emitting device and a method of manufacturing the same.

발광소자 중에서도 LED(Light Emitting Diode) 소자는, 고휘도이면서 에너지 절약형 발광소자로서 실용화가 진행되고 있다.Among light emitting devices, LED (Light Emitting Diode) devices are being put to practical use as light emitting devices of high luminance and energy saving type.

예를 들면, 질화물 반도체(이하 「GaN」로 예시한다.)를 이용한 반도체 발광소자인 LED는, 형광등으로 바뀌는 조명용 광원으로서 기대되고 있으며, 성능적으로는 루멘/와트(발광 효율)의 향상을, 비용적으로는 가격/루멘의 저하를 목표로 개발이 활발해지고 있다. 활성층에서 정공과 전자가 재결합되어 발광한 광은 GaN에서 공기중으로 방사되는데, 공기의 굴절률 1.0에 대해 GaN의 굴절률이 대략 2.5로 높아 공기와의 계면에서 대략 70% 미만의 광이 전반사에 의해 반도체 내부에 갇혀 최종적으로는 열로 바뀌어 소실된다. 그래서 향후 GaN 중의 광을 어떻게 외부로 취출할지가 성능 향상·비용 절감에 있어서 큰 과제가 되고 있다.For example, an LED, which is a semiconductor light emitting element using a nitride semiconductor (to be referred to as " GaN " hereinafter), is expected as a light source for an illumination that changes into a fluorescent lamp. Performance is improved by improving lumens / In terms of cost, development is being actively pursued with the aim of lowering price / lumen. In the active layer, the light emitted from the recombination of holes and electrons is emitted from the GaN to the air. Since the refractive index of GaN is about 2.5 higher than the refractive index of air, about 70% of the light at the interface with the air is totally reflected And finally it is turned into heat and disappears. Therefore, how to take out the light in the GaN in the future is a big problem in performance improvement and cost reduction.

또 파장 220nm∼350nm의 심자외광(深紫外光, deep ultraviolet rays)을 발하는 고휘도 LED는, 살균·정수, 각종 의료 분야, 고밀도 광기록, 고연색(高演色,high-color-rendering) LED 조명, 공해 물질의 고속 분해 처리 등 폭넓은 분야에서의 응용이 기대되고 있다. 그러나 지금까지의 심자외 LED의 외부 양자 효율은 커봐야 수% 정도로서, 청색 LED의 수십%의 값과 비교해도 상당히 작아 실용화가 어려운 상황이다.High-brightness LEDs emit deep ultraviolet rays with a wavelength of 220 to 350 nm. They are used in sterilization, water purification, medical fields, high-density optical recording, high-color-rendering LED lighting, Applications in a wide range of fields such as high-speed decomposition treatment of pollutants are expected. However, until now, the external quantum efficiency of the external LED is about several percent, which is considerably smaller than the value of several tens of percent of the blue LED, making it difficult to put it into practical use.

LED의 외부 양자 효율(EQE:External Quantum Efficiency)은, 내부 양자 효율(IQE:Internal Quantum Efficiency), 전자 주입 효율(EIE:Electron Injection Efficiency), 광취출 효율(LEE:Light Extraction Efficiency)의 곱으로 결정되며(EQE=IQE×EIE×LEE라는 식으로 표현되며), 광취출 효율의 개선은 내부 양자 효율이나 전자 주입 효율과 더불어 그 효율의 개선에 크게 공헌하는 요소가 된다.The external quantum efficiency (EQE) of the LED is determined by multiplying the internal quantum efficiency (IQE), the electron injection efficiency (EIE) and the light extraction efficiency (LEE) (EQE = IQE x EIE x LEE), the improvement of the light extraction efficiency contributes to the improvement of the efficiency together with the internal quantum efficiency and the electron injection efficiency.

예를 들면, 도 1a에 도시한 심자외 LED 소자는, 사파이어 기판(1)에 n형 AlGaN층(5)/AlN 버퍼층(3), AlGaN/GaN 다중 양자 우물로 이루어진 활성층(이하, AlGaN 활성층으로 예시한다)(7), p형 AlGaN층(9), Ni/Au전극층(11)으로 형성되어 있다. n형 AlGaN층(5)에는 n형 전극(4)이 형성되어 있다.1A, for example, an n-type AlGaN layer 5 / an AlN buffer layer 3 and an active layer made of an AlGaN / GaN multiple quantum well (hereinafter referred to as an AlGaN active layer) are formed on a sapphire substrate 1 A p-type AlGaN layer 9, and an Ni / Au electrode layer 11, as shown in Fig. In the n-type AlGaN layer 5, an n-type electrode 4 is formed.

AlGaN 활성층(7)에서 정공과 전자의 재결합에 의해 발광한 광은 화살표 L1∼L3으로 도시한 것처럼 사파이어 기판(1)을 투과하여 그 이면(1a)(광취출면)에서 공기중에 방사된다. 여기서 공기의 굴절률 1.0에 대해 사파이어의 굴절률은 대략 1.82로 높아 입사 각도를 θi로 하면 스넬의 법칙(sinθi=1/1.82)으로부터, 사파이어 기판의 이면(1a)과 공기와의 계면에서의 임계 각도 θc는 33.3도로 계산되고, 이 임계 각도 θc를 초과하여 입사된 광은 전반사에 의해 질화물 반도체층(3),(5),(7)이나 사파이어 기판(1)의 내부에 갇혀 최종적으로는 열로 바뀌어 소실된다(L2, L3). 이 열에 의해 소실되는 비율은 70∼90%까지 미치기 때문에 내부에서 소실되는 광을 어떻게 외부에 취출할 지가 성능 향상의 과제가 되고 있다.The light emitted by the recombination of holes and electrons in the AlGaN active layer 7 is transmitted through the sapphire substrate 1 as shown by arrows L1 to L3 and radiated into the air from the back surface 1a thereof (light extraction surface). Here, the refractive index of sapphire with respect to the index of refraction of air is as high as approximately 1.82, so that the critical angle? C at the interface between the back surface 1a of the sapphire substrate and the air from the Snell's law (sin? I = 1 / The incident light exceeding the critical angle? C is trapped in the nitride semiconductor layers 3, 5, and 7 or the sapphire substrate 1 by total internal reflection, (L2, L3). Since the ratio of light lost by this heat reaches 70 to 90%, how to extract the light that is lost inside is an issue of performance improvement.

또 도 1b에 도시한 청색 LED는, 예를 들면 사파이어 기판(21)에 n형 전극(24), n형 GaN층(23), GaN 등으로 이루어진 활성층(25), p형 GaN층(27), ITO 투명 전극층(29), SiO2 보호막(31)으로 형성되어 있다. GaN 활성층(25)에서 발광한 광은 기판측과 SiO2 보호막측의 상하 방향으로 출사되는데, 상부의 보호막(예를 들면 SiO2에서는 굴절률은 1.46)으로부터 공기에 출사되는 광의 50% 보다 많은 광이 임계각을 초과하여 전반사되어 내부 소실된다. 이와 같이 하부의 n형 GaN층(23)(굴절률은 2.50)과 사파이어 기판(21)(파장 455nm이고 굴절률은 1.78)의 계면에서는 n형 GaN층(23)에서 사파이어 기판(21)으로 출사되는 광의 50% 보다 적은 광이 동일하게 전반사되어 내부 소실된다는 문제가 있다.The blue LED shown in Fig. 1B has an n-type electrode 24, an n-type GaN layer 23, an active layer 25 made of GaN or the like, a p-type GaN layer 27, , An ITO transparent electrode layer 29, SiO 2 A protective film 31 is formed. The light emitted from the GaN active layer 25 is incident on the substrate side and the SiO 2 The light is emitted in the vertical direction on the side of the protective film, and more than 50% of the light emitted to the air from the upper protective film (for example, refractive index of 1.46 in the case of SiO 2 ) exceeds the critical angle and is totally deflected. Thus, at the interface between the lower n-type GaN layer 23 (refractive index is 2.50) and the sapphire substrate 21 (wavelength 455 nm, refractive index is 1.78), the light emitted from the n-type GaN layer 23 to the sapphire substrate 21 There is a problem that light of less than 50% is totally reflected in the same way and disappears inside.

이러한 과제를 해결하기 위해 예를 들면 하기 특허문헌 1에서는, 포토닉(photonic) 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조(photonic crystal periodic structure)로서, p형 질화물 반도체층, 활성층 중 어느 한 반도체층에 적층 방향으로 개구되는 공공(空孔)을 형성하고, 상기 반도체층에 평행한 도파로(waveguide)를 통해서 나아가는 광을 차단하여 상기 반도체층의 적층 방향의 상하로부터 광을 취출할 궁리를 하고 있다.In order to solve such a problem, for example, in Patent Document 1 below, a photonic crystal periodic structure having a photonic band gap is used as a photonic crystal periodic structure in which a p-type nitride semiconductor layer, Holes open in the stacking direction are formed so as to block light traveling through a waveguide parallel to the semiconductor layer and to take out light from above and below in the stacking direction of the semiconductor layers.

또 하기 특허문헌 2에서는, 활성층에서 발광하는 광의 파장의 1/4배∼4배의 값으로 주기가 설정된 포토닉 결정 주기 구조를 사파이어 기판의 이면에 설치함으로써 사파이어 기판 이면으로부터 전반사를 억제하여 공기중에 광을 취출할 궁리를 하고 있다.In Patent Document 2, the photonic crystal periodic structure in which the period is set to a value which is 1/4 to 4 times the wavelength of light emitted from the active layer is provided on the back surface of the sapphire substrate, thereby suppressing total reflection from the back surface of the sapphire substrate, It is devising to extract light.

하기 특허문헌 3에서는, 포토닉 밴드를 가진 포토닉 결정 주기 구조를 활성층에 공공으로서 설치하여, 활성층 및 상하의 반도체층에 평행한 도파로를 통해 나아가는 광을 차단하여 이 활성층의 상하로부터 광을 취출할 궁리를 하고 있다.Patent Document 3 discloses that a photonic crystal periodic structure having a photonic band is provided as a pore in the active layer so as to cut off light traveling through a waveguide parallel to the active layer and the upper and lower semiconductor layers, .

또 하기 특허문헌 4에서는, 소정의 LED 구조를 작성한 후에 사파이어 기판을 제거한 n형 반도체층에 포토닉 밴드를 가진 포토닉 결정 주기 구조를 설치하여 이 n형 반도체층으로부터 광을 취출할 궁리를 하고 있다.Further, in Patent Document 4, a photonic crystal periodic structure having a photonic band is provided in an n-type semiconductor layer from which a sapphire substrate is removed after preparing a predetermined LED structure, and the light is taken out from the n-type semiconductor layer .

또한 하기 특허문헌 5에서는, 발광 파장의 1/3 이하의 볼록부 주기 구조(모스아이 구조, moth-eye structure)를 사파이어 기판과 질화물 반도체층의 계면에 설치하고, 이 계면에서의 전반사를 억제하여 광을 기판 이면으로부터 취출하였다 .In Patent Document 5, a convex portion periodic structure (moth-eye structure) of 1/3 or less of the emission wavelength is provided at the interface between the sapphire substrate and the nitride semiconductor layer, and the total reflection at this interface is suppressed And light was taken out from the back surface of the substrate.

하기 특허문헌 6에서는, 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조로서, ITO 투명 전극, p형 반도체층, 활성층, n형 반도체층을 통과하는 공공을 설치하여 이들 층에 평행한 도파로로서 나아가는 광을 차단하여 이들 층에 수직인 상하 방향에서 광을 취출할 궁리를 하고 있다.Patent Document 6 discloses a photonic crystal periodic structure having a photonic band gap, in which a hole passing through an ITO transparent electrode, a p-type semiconductor layer, an active layer, and an n-type semiconductor layer is provided, So that light is taken out in the vertical direction perpendicular to these layers.

또한 하기 비특허문헌 1에서는, 모스아이를 가진 주기 구조를 사파이어 기판의 이면에 설치하여 사파이어 기판의 이면으로부터의 전반사를 억제하여 광을 취출할 궁리를 하고 있다.In the following non-patent document 1, a periodic structure having a morphology is provided on the back surface of a sapphire substrate to suppress total reflection from the back surface of the sapphire substrate, thereby making it possible to extract light.

특허문헌 1: 일본 특허 제4610863호 공보Patent Document 1: Japanese Patent No. 4610863 특허문헌 2: 일본 특허 제4329374호 공보Patent Document 2: Japanese Patent No. 4329374 특허문헌 3: 일본 특개 2008-311317호 공보Patent Document 3: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-311317 특허문헌 4: 일본 특표 2006-523953호 공보Patent Document 4: Japanese Patent Specification No. 2006-523953 특허문헌 5: 일본 특개 2010-74090호 공보Patent Document 5: JP-A-2010-74090 특허문헌 6: 일본 특개 2011-86853호 공보Patent Document 6: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-86853

비특허문헌 1: (독)일본 학술진흥회「와이드 갭 반도체광·전자 디바이스 제162 위원회」 제74회 연구회 자료: 창광과학(創光科學, UV Craftory Co.,Ltd)에서의 DUVLED의 개발.Non-Patent Document 1: Development of DUVLED at the Japan Cement Association "Wide Gap Semiconductor Optoelectronic Devices 162th Committee" 74th Research Meeting Source: Changkwang Science (UV Craftory Co., Ltd)

그러나 상기 특허문헌 1∼6까지 및 비특허문헌 1에서의 포토닉 결정 주기 구조 혹은 모스아이 주기 구조에 관하여 광취출 효율을 최대화하는 주기 구조에서의 최적의 파라미터를 찾아낼 수 있는 구체적인 법칙·방법이 전혀 기재되어 있지 않다.However, in the photonic crystal periodic structure or the morphotropic periodic structure in Patent Documents 1 to 6 and Non-Patent Document 1, specific laws and methods for finding optimum parameters in the periodic structure for maximizing the light extraction efficiency It is not described at all.

또 각 문헌을 개별적으로 보면, 특허문헌 1, 3, 6에서는, 공공을 n형 질화물 반도체층, 질화물 반도체 활성층, p형 질화물 반도체층을 통해 혹은 활성층 단독으로 이들 층에 수직으로 설치하여 포토닉 결정 주기 구조로 하였다. 질화물 반도체는 저항이 높아 여기에 개구된 공공이 커지면 커질수록 저항이 높아져, 결과적으로 내부 양자 효율의 저하를 초래한 결과로서 외부 양자 효율이 저하되어 휘도가 저하된다는 문제가 있다. 또 포토닉 밴드갭을 가진 주기 구조 내라면 전체 광취출 효율이 최대화되지는 않으며, 주기 구조의 구체적인 구조 파라미터의 개시도 없다.In Patent Documents 1, 3, and 6, each of the documents is disclosed in which the vacancies are formed vertically through the n-type nitride semiconductor layer, the nitride semiconductor active layer, the p-type nitride semiconductor layer, Periodic structure. The resistance of the nitride semiconductor increases as the size of the openings in the nitride semiconductor increases, resulting in a decrease in the internal quantum efficiency. As a result, the external quantum efficiency decreases and the luminance decreases. In addition, the total light extraction efficiency is not maximized within a periodic structure having a photonic band gap, and there is no disclosure of specific structural parameters of the periodic structure.

또한 특허문헌 2에서는, 사파이어 기판의 이면에 주기 구조를 설치하였기 때문에 내부 양자 효율의 저하는 적지만, 포토닉 밴드갭이 없는 주기 구조를 이용하였기 때문에 광취출 효율이 포토닉 밴드갭을 가진 주기 구조의 소자에 비해 낮다는 문제가 있다.In Patent Document 2, since the periodic structure is provided on the back surface of the sapphire substrate, a decrease in the internal quantum efficiency is small. However, since the periodic structure having no photonic band gap is used, Which is lower than that of the device of FIG.

특허문헌 5의 구조를 심자외 LED에 응용하여 사파이어 표면에서의 볼록 구조에 질화물 반도체층을 결정 성장시키면 이상 핵성장이 일어나 내부 양자 효율의 저하를 초래한다. 또 활성층으로부터 방출된 광은 사파이어 표면상의 볼록부 주기 구조를 향해 진행하는데, 프레넬 반사를 억제하는 모스아이 구조이므로 전반사를 억제하여 광의 투과율을 증가시키는 구조와는 다르다. 또 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정을 이용한 경우에 보이는 복잡한 광의 굴절 효과에 의한 정면 휘도가 상승한다는 이점도 없다.When the structure of Patent Document 5 is applied to an extra-luminescent LED and a nitride semiconductor layer is crystal-grown on the convex structure on the surface of sapphire, abnormal nucleation occurs and the internal quantum efficiency is lowered. Further, the light emitted from the active layer travels toward the convex periodic structure on the sapphire surface, which is different from the structure in which the transmittance of light is increased by suppressing total reflection because it is a moth eye structure that suppresses Fresnel reflection. Further, there is no advantage in that the front luminance due to the refracting effect of complex light seen when the photonic crystal having the photonic band gap is used.

또한 상기 비특허문헌 1에서는, 사파이어 기판 이면에 주기 구조를 설치하였기 때문에 내부 양자 효율의 저하를 억제할 수 있지만, 그 주기 구조가 모스아이 구조이며, 그 특성은 광의 전반사를 억제하여 광의 투과율을 상승시키는 것이 아니라 프레넬 반사를 억제하는 것이다. 또 정면 휘도가 상승할 수 있는 것이 아니다.In the non-patent reference 1, since the periodic structure is provided on the back surface of the sapphire substrate, it is possible to suppress the decrease in the internal quantum efficiency. However, the periodic structure is a MOS-IH structure, But to suppress Fresnel reflection. Also, the front luminance can not be increased.

특허문헌 4에서는, n형 질화물 반도체층의 이면측에 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조를 설치하였다. 이 층의 이면은 Ga보다 N(질소)이 풍부한 조성이 되어, 구조로서 무르기 때문에 이 면의 평탄화가 어려워 높은 정밀도가 요구되는 포토닉 결정 주기 구조를 설치하기 힘들고 광취출 효율의 저하를 초래한다는 문제가 있다. 또 포토닉 밴드갭을 가진 주기 구조 내일 뿐 광취출 효율이 최대화된 것은 아니다. 또한 이 주기 구조의 리소그래프에는 나노 임프린트 장치를 사용하였으나 수지 몰드를 사용하지 않는 경우에는 기판의 휨이나 미소한 돌기물을 따른 전사가 어려워진다. 그 이유는, 사파이어 기판에 질화물 반도체층을 결정 성장시킬 경우, 사파이어 기판과 질화물 반도체의 열팽창 계수차로 인해 1000℃ 가까운 고온에서 결정 성장시킨 후에 기판을 실온으로 되돌리면 4인치 사파이어 기판에서 100㎛정도의 기판의 휨이 발생하여, 가령 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층과 결정 성장 후, p형 질화물 반도체층에 지지 기판을 맞붙인 후 사파이어 기판을 박리해도 n형 질화물 반도체층의 휨이나 미소한 요철이 해소되지는 않기 때문에 결국 평탄화 처리 후에 미세 가공하는 등 공정이 복잡해진다.In Patent Document 4, a photonic crystal periodic structure having a photonic band gap is provided on the back side of the n-type nitride semiconductor layer. The back surface of this layer has a composition richer in N (nitrogen) than Ga, and since it is unstructured as a structure, it is difficult to planarize this surface, and it is difficult to provide a photonic crystal periodic structure requiring high precision, . In addition, the light extraction efficiency is not maximized only within the periodic structure having the photonic band gap. In addition, a nanoimprint apparatus is used for the lithography of this periodic structure, but when the resin mold is not used, it is difficult to transfer the substrate along with warpage or minute protrusions. When a nitride semiconductor layer is crystal-grown on a sapphire substrate, crystal growth is performed at a high temperature close to 1000 ° C. due to a difference in thermal expansion coefficient between the sapphire substrate and the nitride semiconductor, and then the substrate is returned to room temperature. Even if the sapphire substrate is peeled after the supporting substrate is bonded to the p-type nitride semiconductor layer after the crystal growth with the n-type nitride semiconductor layer, the active layer, and the p-type nitride semiconductor layer, Or minute concavities and convexities are not solved, the process becomes complicated such as microfabrication after the planarization process.

통상 nm오더의 미세 가공에는 포토리소그래피라는 기술을 사용한다. 대표적인 장치로서 스텝퍼나 얼라이너(aligner) 혹은 전자빔 묘화 장치 등을 들 수 있다. 스텝퍼나 얼라이너는 6∼10인치의 대면적을 수용할 수 있지만, 큰 기판의 약 100㎛정도의 휨(warping)은 수용할 수 없다. 또 전자빔 묘화 장치의 스루풋은 양산용에는 적합하지 않다.Normally, a technique called photolithography is used for micromachining of a nm order. As a typical apparatus, a stepper, an aligner, an electron beam drawing apparatus, or the like can be given. The stepper or aligner can accommodate a large area of 6 to 10 inches, but can not accommodate warping of about 100 microns of a large substrate. The throughput of the electron beam drawing apparatus is not suitable for mass production.

또 나노 임프린트 리소그래피법에서 유기 레지스트를 전사 후 건식 식각으로 원하는 주기 구조로 가공한 경우라도 식각 후의 형상이 설계한 대로의 주기 구조가 되지 않는다.In addition, even when the organic resist is transferred into a desired periodic structure by dry etching after transferring the nanoimprint lithography, the shape after the etching does not become the periodic structure as designed.

본 발명은, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 종래보다 광취출 효율이 향상됨에 따라 결과적으로 정면 휘도가 강조된 고휘도 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또 고휘도화를 가능하게 하는 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조의 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 설계에 따른 주기 구조를 원하는 부위에 가공하는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a high-brightness semiconductor light emitting device having enhanced light extraction efficiency as a result of which the front brightness is emphasized in view of the problems of the related art as described above. It is another object of the present invention to provide a method of designing a photonic crystal periodic structure having a photonic band gap enabling high brightness. It is also an object of the present invention to provide a manufacturing method for processing a periodic structure according to a design in a desired region.

본 발명은, 특히 LED 소자에 포토닉 결정 구조를 마련하여 광취출 효율의 향상에 의한 외부 양자 효율과 휘도 지향성 모두를 개선한 소자와 그 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a device in which a photonic crystal structure is provided in an LED element in particular to improve both external quantum efficiency and luminance directivity by improvement of light extraction efficiency and a manufacturing method thereof.

본 발명은, 사파이어 기판의 이면 또는 사파이어 기판의 표면과 GaN층과의 계면, 또는 보호막에 광의 매질 중 파장과 동등한 주기를 가진 이차원 포토닉 결정으로 이루어진 요철부를 가공함으로써 경계면 상의 광에 관하여 밴드 구조가 형성되어 광의 전달이 불가능해지는 에너지 영역(포토닉 밴드갭)을 생성한다.The present invention is characterized in that a concavo-convex portion made of a two-dimensional photonic crystal having a period equal to the wavelength of the light medium is processed on the back surface of the sapphire substrate or on the interface between the surface of the sapphire substrate and the GaN layer, (Photonic band gap) in which transmission of light becomes impossible.

포토닉 밴드갭 내의 파장을 가진 광은, 주기 구조가 형성된 면내를 전달되지 못하고 이 면에 수직인 방향으로만 전달된다. 따라서 활성층에서 방출되어 사파이어 기판 이면, 또는 사파이어 기판 표면과 GaN층의 계면, 또는 보호막에 도달한 광은 공기와의 경계면에서 전반사되지 않고 공기중에 방출된다.Light having a wavelength within the photonic bandgap is not transmitted through the plane in which the periodic structure is formed but is transmitted only in a direction perpendicular to this plane. Therefore, the light emitted from the active layer and reaching the interface of the sapphire substrate or the sapphire substrate surface and the GaN layer, or the protective film, is not totally reflected at the interface with the air and is released into the air.

본 발명은, 다른 굴절률을 가진 2개의 구조체의 계면이 브래그 산란의 조건을 충족하고, 또한 포토닉 밴드갭을 갖는다는 조건을 충족하는 포토닉 결정 주기 구조를 광취출층에 마련하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자이다.The present invention is characterized in that a photonic crystal periodic structure satisfying a condition that an interface of two structures having different refractive indexes satisfies Bragg scattering conditions and has a photonic band gap is provided in the light-extraction layer Semiconductor light emitting element.

특히 포토닉 밴드갭이 최대가 되는 포토닉 결정 주기 구조를 선택함으로써 광취출 효율이 향상되어 결과적으로 정면 휘도를 강조할 수 있다.Particularly, by selecting a photonic crystal periodic structure in which the photonic band gap is maximized, the light extraction efficiency is improved, and as a result, the frontal brightness can be emphasized.

또 상기 반도체 발광소자의 구조에서, 상기 광취출층이 GaN계 결정층이 아닌 사파이어 등의 기판, SiO2 등의 보호막 중 어느 한 곳에 형성되어 있는 것이 바람직하다.In the substrate, such as in the structure of the semiconductor light emitting element, the light-emitting layer is not a sapphire crystal layer, a GaN-based, SiO 2 It is preferable that the protective film is formed at any one of the protective films.

또 본 발명은, 상기 포토닉 결정 주기 구조를 가진 반도체 발광소자에서 광취출면을 기판 이면에 가지고, 그 기판상에 마련된 AlN 버퍼층과, 그 위에 마련된 n형 AlGaN층과, 그 위에 마련된 활성층과, 그 위에 마련된 p형 AlGaN층을 가지고 구성되고, 광취출면이 브래그 산란의 조건을 충족하고 또한 포토닉 밴드갭을 가지고, 바람직하게는 최대가 되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자이다.The present invention also provides a semiconductor light emitting device having a photonic crystal periodic structure in which a light emitting surface is provided on a back surface of a substrate, an AlN buffer layer provided on the substrate, an n-type AlGaN layer provided thereon, And a p-type AlGaN layer provided thereon, wherein the light-extracting surface satisfies the conditions of Bragg scattering and has a photonic band gap, and is preferably a maximum.

혹은 상기 포토닉 결정 주기 구조를 가진 반도체 발광소자에서 광취출면을 기판 표면에 가지고, 그 기판상에 설치된 n형 GaN층과, 그 위에 마련된 활성층과, 그 위에 마련된 p형 GaN층과, 그 위에 마련된 투명 전극층과, 그 위에 마련된 광취출면인 보호막으로 구성되어 광취출면이 브래그 산란의 조건을 충족하고 또한 포토닉 밴드갭을 가지고, 바람직하게는 최대가 되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자이다.Or the semiconductor light emitting device having the photonic crystal periodic structure has a light extraction surface on a substrate surface, an n-type GaN layer provided on the substrate, an active layer provided thereon, a p-type GaN layer provided thereon, A transparent electrode layer provided on the transparent electrode layer, and a protective film as a light-extracting surface provided thereon, wherein the light-extracting surface satisfies the conditions of Bragg scattering and has a photonic band gap, and is preferably a maximum.

상기 구성에서, 포토닉 밴드갭이 최대가 되는 것은 다음의 이유에 의한다.In the above configuration, the reason why the photonic band gap becomes maximum is for the following reason.

Bragg 산란의 조건(mλ/nav=2a, m:차수, λ:진공 중의 광의 파장, nav:평균 굴절률, a:주기)을 충족하고, 포토닉 결정 주기 구조로부터 출력되는 평면파를 전계(E), 자계(H)로 전개한 맥스웰의 전자계 파동 방정식The plane wave output from the photonic crystal periodic structure satisfies the condition of Bragg scattering (m? / N av = 2a, m: order,?: Wavelength of light in vacuum, n av : average refractive index, ) And a magnetic field H developed by Maxwell's electromagnetic wave equation

Σε-1(G-G')|k+G||k+G'|E(G')=ω2/c2E(G') Σε -1 (GG ') | k + G || k + G' | E (G ') = ω 2 / c 2 E (G')

And

Σε-1(G-G')(k+G)*(k+G') H(G')=ω2/c2H(G) Σε -1 (GG ') (k + G) * (k + G') H (G ') = ω 2 / c 2 H (G)

를 구한다..

단, (ε-1:유전율의 역수, G:역격자 벡터, ω:주파수, c:광속, k:파수 벡터)이다.-1 : reciprocal of dielectric constant, G: reciprocal lattice vector, ω: frequency, c: flux, k: wavenumber vector).

상기 식의 고유치 문제를 풀면, 주파수(ω)와 파수 벡터k의 분산 관계를 나타내는 밴드 구조가 TE(Transversal Electric)광, TM(Transversal Magnetic)광으로 각각 얻어진다. 이들 TE, TM광의 각 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)의 최대치 ω1a/2πc와 공기 밴드(제2 포토닉 밴드)의 최소치 ω2a/2πc의 차, 즉 포토닉 밴드갭=ω2a/2πc-ω1a/2πc의 값이 최대가 되는 관계를 충족하는 파라미터군(주기(a), 직경(d))을 구하고 그에 기초하여 주기 구조를 설계한다. 이 수치를 FDTD법(시간 영역 차분법)으로 해석하여 주기 구조의 깊이(h)의 최적치와 휘도 개선율, 배광성의 좋고 나쁨을 확인한다.Solving the eigenvalue problem of the above equation, a band structure representing the dispersion relationship between the frequency (?) And the wave number vector k is obtained as TE (Transversal Electric) light and TM (Transversal Magnetic) light, respectively. These TE, TM light each minimum value of the dielectric band maximum value ω 1 a / 2πc the air band (second photonic band of the first photonic band) ω 2 a / difference 2πc, i.e., photonic band gap = ω 2 (period (a), diameter (d)) satisfying the relation that the value of a / 2 ? c-? 1 a / 2 ? c becomes the maximum is obtained and the periodic structure is designed on the basis thereof. This numerical value is analyzed by the FDTD method (time domain differential method) to confirm that the optimum value of the depth h of the periodic structure, the luminance improvement ratio, and the good and bad light distribution are confirmed.

다음으로 나노 임프린트용 마스터 금형을 작성한다. 기판의 휨에 대응하기 위해 수지 몰드를 작성하고 이 수지 몰드를 사용하여 기판상의 레지스트에 전사한다. 기판상 패턴과 마스터 금형 패턴이 반전되지 않게 한다. 나노 임프린트 후 기판을 ICP 건식 식각에 의해 식각 가공한다. 이 때, 가공하는 부위의 재료에 의해 식각 가스와 레지스트의 선택비는 크게 변화되기 때문에 초기에 의도한 요철의 형상이나 사이즈를 컨트롤하기 어려워지는 경우가 있다.Next, a master mold for nanoimprinting is formed. A resin mold is prepared to cope with the warpage of the substrate, and is transferred to the resist on the substrate using the resin mold. The pattern on the substrate and the master mold pattern are not reversed. After the nanoimprint, the substrate is etched by ICP dry etching. At this time, the selection ratio of the etching gas and the resist is largely changed depending on the material of the part to be processed, so that it is difficult to control the shape and size of the irregularities initially intended.

따라서 요철 가공하는 부위의 재료와 레지스트의 식각 바이어스를 사전에 파악하거나 또는 적정한 레지스트의 선택이 필수가 된다. 여기에서는, 상기 설계 방법으로 구한 주기(a), 직경(d), 깊이(h)로 금형을 작성하고 그로부터 수지 몰드를 취해 나노 임프린트로 기판상의 레지스트에 패턴을 전사하고, 그 기판을 건식 식각하여 레지스트를 제거하고 실제 형상을 측정한다. 이 측정치와 설계치와의 차가 식각 바이어스치가 된다. 이 식각 바이어스치를 반영시켜 재차 마스터 금형을 작성하고 전사·건식 식각·레지스트 제거하면, 설계 그대로의 포토닉 결정 주기 구조가 사파이어 기판의 이면, 또는 사파이어 기판 표면과 GaN층의 계면, 또는 보호막에 완성된다(프로세스 인티그레이션이라고 칭한다). 본 발명은 사파이어 기판 이면, 또는 사파이어 기판 표면과 GaN층의 계면, 또는 보호막에 광의 매질 중 파장과 동등한 주기를 가진 이차원 포토닉 결정으로 이루어진 요철부를 가공함으로써 경계면상의 광에 관하여 밴드 구조가 형성되어 광의 전달이 불가능해지는 에너지 영역(포토닉 밴드갭)이 존재한다. 포토닉 밴드갭 내의 파장을 가진 광은, 주기 구조가 형성된 면내를 전달되지 못하고 이 면에 수직인 방향으로만 전달된다. 따라서 활성층에서 방출되어 사파이어 기판 이면, 또는 사파이어 기판 표면과 GaN층의 계면, 또는 보호막에 도달한 광은 공기와의 경계면에서 전반사되지 않고 공기중에 방출되어 결과적으로 광취출 효율도 향상되고 외부 양자 효율과 휘도가 증가한다. 또 정면 휘도가 높은 발광소자가 된다.Therefore, it is necessary to grasp the material of the portion to be processed and the etching bias of the resist in advance or to select an appropriate resist. Here, a mold is formed at a period (a), a diameter (d), and a depth (h) obtained by the above design method, a resin mold is taken therefrom, a pattern is transferred to a resist on the substrate with a nanoimprint, Remove the resist and measure the actual shape. The difference between this measured value and the design value is the etching bias value. The master mold is again formed by reflecting the etching bias value, and the photonic crystal periodic structure as designed is completed on the back surface of the sapphire substrate or on the interface between the sapphire substrate surface and the GaN layer or on the protective film (Referred to as process integration). The present invention forms a band structure with respect to light on the interface by processing a concavo-convex portion made of a two-dimensional photonic crystal having a period equal to the wavelength of the light medium in the interface or the interface between the sapphire substrate surface and the GaN layer, There is an energy region (photonic band gap) in which transmission becomes impossible. Light having a wavelength within the photonic bandgap is not transmitted through the plane in which the periodic structure is formed but is transmitted only in a direction perpendicular to this plane. Therefore, the light emitted from the active layer and transmitted through the sapphire substrate, or the interface between the sapphire substrate surface and the GaN layer, or the protective film, is not totally reflected at the interface with the air and is released into the air. As a result, the light extraction efficiency is improved, The luminance increases. In addition, the light emitting device has a high frontal luminance.

보다 구체적으로는 본 발명은, 제1 도전형의 GaN층과, 활성층과, 제2 도전형의 GaN층과, 상기 제1 도전형의 GaN층 또는 상기 제2 도전형의 GaN층에 형성되어 광취출층을 형성하는 기판 또는 보호막을 가지고, 다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)로 이루어진 주기 구조로서 상기 2개의 계(구조체)의 계면이 브래그 산란의 조건을 충족하고 또한 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조를 광취출층에 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자이다.More specifically, the present invention relates to a light emitting device comprising: a first conductive type GaN layer; an active layer; a second conductive type GaN layer; and a second conductive type GaN layer or a second conductive type GaN layer, (Structure) having a substrate or a protective film for forming an extraction layer and having a periodic structure composed of two systems (structures) having different refractive indices, the interface of the two systems (structure) satisfying Bragg scattering conditions and having a photonic band gap And has a photonic crystal periodic structure in a light-extraction layer.

다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)란, 예를 들면 공기와 사파이어 기판, 사파이어 기판과 GaN층, 공기와 SiO2 보호막 등이다.The two systems (structures) having different refractive indexes include, for example, air and sapphire substrates, sapphire substrates and GaN layers, air and SiO 2 And a protective film.

상기 광취출층이 반도체 발광소자의 기판, 또는 기판과는 반대측 면에 형성되는 보호막 중 어느 하나인 것이 바람직하다.It is preferable that the light extracting layer is a substrate of the semiconductor light emitting element or a protective film formed on the side opposite to the substrate.

상기 포토닉 결정 주기 구조가 상기 기판의 임의의 깊이 위치에서의 영역 내에 설치되어 있으면 된다.The photonic crystal periodic structure may be provided in an area at an arbitrary depth position of the substrate.

상기 포토닉 결정 주기 구조가 상기 기판의 이면에 주기적으로 형성된 공공을 포함하여 형성되어 있으면 된다. 아울러 해당 공공에는 저부를 가진 것도 포함된다.The photonic crystal periodic structure may be formed so as to include holes formed periodically on the back surface of the substrate. In addition, the public includes those with the bottom.

상기 포토닉 결정 주기 구조는, 하나의 광취출층 내의 임의의 깊이 위치에서의 영역 내에 2곳 이상 형성해도 좋고, 또 둘 이상의 광취출층인, 예를 들면 기판과 보호막 각각의 임의의 깊이 위치에서의 영역 내에 1곳 이상, 합계 2곳 이상 형성해도 좋다.The photonic crystal periodic structure may be formed at two or more positions within a region at an arbitrary depth position in one light extraction layer or at least two or more photodetection layers may be formed at any depth position of each of the substrate and the protection film At least two locations in total may be formed.

상기 하나의 광취출층에 대한 형성예로서는, 예를 들면 페이스다운(플립칩) 구조에서 사파이어 기판의 표면과 이면 모두에 상기 포토닉 결정 주기 구조를 형성한 반도체 발광소자가 있다.Examples of the formation of the one light-extraction layer include a semiconductor light-emitting element in which the photonic crystal periodic structure is formed on both the front and back surfaces of a sapphire substrate in a face down (flip chip) structure.

상기 둘 이상의 광취출층에 대한 형성예로서는, 예를 들면 페이스업 구조에서 광취출층인 사파이어 기판의 표면과 SiO2등 보호막 표면 모두에 상기 포토닉 결정 주기 구조를 형성한 반도체 발광소자가 있다.As an example of forming the two or more light-extraction layers, there is a semiconductor light-emitting element in which the photonic crystal periodic structure is formed on both the surface of a sapphire substrate as a light extraction layer and the surface of a protective film such as SiO 2 in a face-

상기 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조는, 해당 포토닉 결정 주기 구조로부터 출력되는 평면파를 전계(E), 자계(H)로 전개한 맥스웰의 전자계 파동 방정식The photonic crystal periodic structure having the photonic band gap has a structure in which a plane wave output from the photonic crystal periodic structure is divided into an electric field E and a magnetic field H,

Σε-1(G-G')|k+G||k+G'|E(G')=ω2/c2E(G') 및 Σε-1(G-G')(k+G)*(k+G')H(G')=ω2/c2H(G), (ε-1:유전율의 역수, G:역격자 벡터, ω:주파수, c:광속, k:파수 벡터) Σε -1 (GG ') | k + G || k + G' | E (G ') = ω 2 / c 2 E (G') and Σε -1 (GG ') (k + G) * (k + G') H (G ' ) = ω 2 / c 2 H (G), (ε -1 : reciprocal of permittivity, G: reciprocal lattice vector, ω: frequency, c: flux, k:

의 고유치 계산으로부터 구해진 TE광, 또는 TM광 중 어느 한 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)와 공기 밴드(제2 포토닉 밴드)의 차에 의해 해당 구조의 파라미터인 주기(a), 직경(d)이 결정되는 것을 특징으로 하는 포토닉 결정 주기 구조를 갖는 것이 바람직하다. 또한 FDTD법에 의해 깊이(h)가 결정되는 것을 특징으로 한다.(A) and the diameter (d) of the structure are determined by the difference between the dielectric band (first photonic band) and the air band (second photonic band) among the TE light or TM light obtained from the eigenvalue calculation ) Is determined on the basis of the photonic crystal periodic structure. And the depth (h) is determined by the FDTD method.

상기 FDTD법에 의한 깊이(h)의 결정 방법은, 발광소자의 측벽부 LEE 증가율과, 광취출면부 LEE 증가율과, 측벽부와 광취출면부의 양부에서의 LEE 증가율에 기초하여 LEE 증가율을 최대화하는 주기(a)를 구하는 것이며, 그 값은 주기(a)의 0.5배 이상인 것을 특징으로 한다.The method of determining the depth h by the FDTD method is to maximize the LEE increase rate based on the increase rate of the sidewall LEE of the light emitting element, the increase rate of the light extraction surface LEE, and the increase rate of the LEE at both the sidewall and the light extraction surface (A), and the value thereof is 0.5 times or more the period (a).

상기 광취출층 포토닉 결정 주기 구조를, 나노 임프린트 리소그래피법을 이용하여 가공한 것을 특징으로 한다. 수지 몰드를 통한 전사를 이용하여 가공된 것을 특징으로 한다. 상기 기판이 사파이어여도 좋다.Characterized in that the photonic crystal periodic structure of the light extraction layer is processed by a nanoimprint lithography method. And is processed using transfer through a resin mold. The substrate may be sapphire.

상기 반도체 발광소자의 반도체층이 질화물 반도체로 이루어진 것이 바람직하다.The semiconductor layer of the semiconductor light emitting device is preferably made of a nitride semiconductor.

상기 나노 임프린트 리소그래피법에서 이하의 1) 내지 3)의 공정을 이용하는 것을 특징으로 한다.And the following processes 1) to 3) are used in the nanoimprint lithography method.

1) 나노 임프린트용 마스터 금형을 작성할 경우에, 기판의 휨에 대응하기 위해 수지 몰드를 작성하고 상기 수지 몰드를 사용하여 상기 기판상의 레지스트에 전사함으로써 상기 기판상 패턴과 상기 마스터 금형 패턴이 반전되지 않게 한다.1) When a master mold for a nanoimprint is prepared, a resin mold is prepared to cope with the warping of the substrate, and transferred to the resist on the substrate by using the resin mold so that the pattern on the substrate and the master mold pattern are not reversed do.

2) 나노 임프린트 후에 건식 식각으로 상기 기판을 식각 가공한다. 이 때 주기(a), 직경(d), 깊이(h)로 금형을 작성하고 그로부터 수지 몰드를 취해 나노 임프린트로 기판상의 레지스트에 패턴을 전사하고 그 기판을 건식 식각하여 레지스트 잔사를 제거하여 실제 형상을 측정한다.2) The substrate is etched by dry etching after nanoimprinting. At this time, a mold is formed at a period (a), a diameter (d) and a depth (h), a resin mold is taken therefrom, a pattern is transferred to a resist on the substrate by a nanoimprint, the resist is removed by dry etching, .

3) 이 측정치와 설계치와의 차가 식각 바이어스치이며, 이 식각 바이어스치를 반영시켜 재차 마스터 금형을 작성하고 전사·건식 식각·레지스트 잔사를 제거한다.3) The difference between the measured value and the design value is the etching bias value, and the master mold is again formed by reflecting the etching bias value, and the transfer, dry etching, and resist residues are removed.

본 발명은, 반도체 발광소자에 설치되고 다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)로 이루어진 주기 구조로서, 상기 2개의 계(구조체)의 계면이 브래그 산란의 조건을 충족하고 또한 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터를 구하는 구조 파라미터 계산방법으로서, 상기 포토닉 결정 주기 구조로부터 출력되는 평면파를 전계(E), 자계(H)로 전개한 맥스웰의 전자계 파동 방정식The present invention relates to a semiconductor light emitting device having a periodic structure provided in a semiconductor light emitting device and composed of two systems (structures) having different refractive indices, wherein the interface between the two systems (structure) satisfies Bragg scattering conditions and has a photonic band gap 1. A structural parameter calculation method for obtaining parameters of a photonic crystal periodic structure, the method comprising the steps of: measuring a plane wave output from the photonic crystal periodic structure by an electric field (E) and a magnetic field (H)

Σε-1(G-G')|k+G||k+G'|E(G')=ω2/c2E(G') 및 Σε-1(G-G')(k+G)*(k+G')H(G')=ω2/c2H(G), (ε-1:유전율의 역수, G:역격자 벡터, ω:주파수, c:광속, k:파수 벡터) Σε -1 (GG ') | k + G || k + G' | E (G ') = ω 2 / c 2 E (G') and Σε -1 (GG ') (k + G) * (k + G') H (G ' ) = ω 2 / c 2 H (G), (ε -1 : reciprocal of permittivity, G: reciprocal lattice vector, ω: frequency, c: flux, k:

의 고유치 계산으로부터 TE광 또는 TM광 중 어느 한 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)를 구하는 제1 단계와, 상기 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)와 공기 밴드(제2 포토닉 밴드)의 차에 의해 상기 주기 구조의 파라미터인 주기(a), 직경(d)을 결정하는 제2 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 구조 파라미터 계산방법이다.(First photonic band) from the calculation of the eigenvalues of the air bands (second photonic band) and the TE band (first photonic band) And a second step of determining a period (a) and a diameter (d) which are parameters of the periodic structure.

상기 제1 단계에서, Bragg 산란의 조건을 부여하는 단계와, Bragg의 산란 조건에 파장(λ), 차수(m), 평균 굴절률(nav)을 입력하여 주기(a)를 차수(m)마다 구하는 단계와, 이미 결정한 제1계의 반경(R)/주기와 구한 주기(a)로부터 주기를 구성하는 원구멍의 반경(R)을 차수(m)마다 구하고, 유전율(ε12)은 굴절률(n1,n2)을 곱하여 구하는 단계와, 구한 파장(λ), 유전율(ε12), R/a을 상기 맥스웰의 전자계 파동 방정식에 입력하는 단계를 갖는 것이 바람직하다.(A) to (m) by inputting a wavelength (λ), a degree (m), and an average refractive index (n av ) to the Bragg scattering condition in the first step, (Ε 1 , ε 2 ) of the radius r of the first system and the radius R of the circular hole constituting the period from the determined period a are determined for each order m, (? 1 ,? 2 ) and R / a, which are obtained by multiplying the refractive index (n 1 , n 2 ) by the refractive index (n 1 , n 2 ) and inputting the obtained wavelength λ, permittivity (ε 1 , ε 2 ) and R / a into the Maxwell electromagnetic wave equation.

단계S1에서, 포토닉 결정을 구성하는 원구멍(R), 주기(a)로부터 R/a(0.15<R/a<0.45)를 결정한다. 또 상기를 구성하는 매질의 굴절률(n1,n2)과 R/a로부터 평균 굴절률(nav)을 구한다.In step S1, R / a (0.15 < R / a < 0.45) is determined from the circular hole R and the period a constituting the photonic crystal. Further, the refractive index (n 1 , n 2 ) of the medium constituting the above and the average refractive index (n av ) from R / a are obtained.

또한 FDTD법에 의해 깊이(h)를 결정하는 제3 단계를 갖는 것이 바람직하다.It is also preferable to have a third step of determining the depth (h) by the FDTD method.

또한 상기 제3 단계에서 결정하는 깊이(h)는, 주기(a)의 0.5배 이상의 값을 이용한 파라미터 계산에 의해 결정되는 것이 바람직하다.Also, the depth h determined in the third step is preferably determined by parameter calculation using a value at least 0.5 times the period (a).

본 발명에 의하면, 반도체 발광소자에서 광취출 효율도 향상되어 외부 양자 효율과 휘도를 증가시킬 수 있다. 또 정면 휘도를 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the light extraction efficiency in the semiconductor light emitting device is also improved, thereby increasing external quantum efficiency and brightness. In addition, the front luminance can be improved.

본 명세서는 본원의 우선권의 기초인 일본 특허출원 2011-154276호의 명세서 및/또는 도면에 기재되는 내용을 포함한다.This specification includes contents described in the specification and / or drawings of Japanese Patent Application No. 2011-154276, which is the basis of the priority of the present application.

도 1a는, 심자외 LED의 구성예를 도시한 도면이다.
도 1b는, 청색 LED의 구성예를 도시한 도면이다.
도 2a는, 본 발명의 실시형태에 의한 고휘도 반도체 심자외 LED의 제1구성예를 도시한 도면이다.
도 2b는, 본 발명의 실시형태에 의한 고휘도 반도체 심자외 LED의 제2 구성예를 도시한 도면이다.
도 2c는, 본 발명의 실시형태에 의한 고휘도 반도체 심자외 LED의 제3 구성예를 도시한 도면이다.
도 2d는, 본 발명의 실시형태에 의한 고휘도 반도체 청색 LED의 제1구성예를 도시한 도면이다.
도 2e는, 본 발명의 실시형태에 의한 고휘도 반도체 청색 LED의 제2 구성예를 도시한 도면이다.
도 2f는, 본 발명의 실시형태에 의한 고휘도 반도체 청색 LED의 제3 구성예를 도시한 도면이다.
도 3은, 도 2a의 (b)에 대응한 도면으로서, 기판의 이면에서 본 공공(15a)과 나머지 부분(15b)의 형태를 도시한 도면이다.
도 4는, 단계S7의 깊이(h)가 직경(d)(2R)의 변수(0<h<1.0d)인 경우의 처리예를 도시한 흐름도이다.
도 5는, 단계S7의 깊이(h)가 주기(a)의 변수(0<h<1.0a)인 경우의 처리예를 도시한 흐름도이다.
도 6은, 평균 굴절률(nav)을 구하는 순서의 예를 도시한 도면이다.
도 7은, R/a=0.4에서의 밴드 구조의 계산 결과의 예를 도시한 도면이다.
도 8은, 비교 대상으로서 사파이어 표면이 평탄한 경우의 무격자 밴드 구조를 도시한 도면이다.
도 9는, 제1 브릴루앙 영역(Brillouin zone) 전체에 걸쳐 해석하여 ω2TE밴드의 파수 벡터(kx,ky)에 대한 등(等)주파수면을 구한(R/a=0.25) 도면이다.
도 10은, 제1 브릴루앙 영역 전체에 걸쳐 해석하여 ω2TE밴드의 파수 벡터(kx,ky)에 대한 등주파수면을 구한(R/a=0.4) 도면이다.
도 11은, R/a=0.25로 한 경우의, 입사각에 대한 굴절각의 관계를 도시한 도면이다.
도 12는, R/a=0.4로 한 경우의, 입사각에 대한 굴절각의 관계를 도시한 도면이다.
도 13은, FDTD법 시뮬레이션 모델의 예를 도시한 도면이다.
도 14는, 주기 구조가 없는 경우의 강도 분포를 도시한 도면이다.
도 15는, 주기 구조가 있는 경우의 강도 분포를 도시한 도면이다.
도 16은, 해석한 각 패턴의 휘도를 계산하여 차수 m=3에서의, 무패턴에 대한 포토닉 결정 패턴을 가진 경우의 휘도 증감율을 R/a의 함수로 그래프화시킨 도면이다.
도 17은, 해석한 각 패턴의 휘도를 계산하여 차수 m=3에서의, 무패턴에 대한 포토닉 결정 패턴을 가진 경우의 휘도 증감율을 어스펙트비의 함수로 그래프화시킨 도면이다.
도 18은, 도 1에 도시한 반도체 발광소자(LED)의 제조 프로세스의 일례를 도시한 도면이다.
도 19는, 도 1에 도시한 반도체 발광소자(LED)의 제조 프로세스의 일례를 도시한 도면이다.
도 20은, 도 1에 도시한 반도체 발광소자(LED)의 제조 프로세스의 일례를 도시한 도면이다.
도 21은, 도 1에 도시한 반도체 발광소자(LED)의 제조 프로세스의 일례를 도시한 도면이다.
도 22는, 도 1에 도시한 반도체 발광소자(LED)의 제조 프로세스의 일례를 도시한 도면이다.
도 23은, 사파이어에 공공을 포토닉 결정 가공한 경우의 입사각·반사율의 그래프를 도시한 도면이다.
도 24는, 웨이퍼 내의 바둑판 형태에 폴리이미드 테이프(P)를 붙여 건식 식각을 행하는 모습을 도시한 도면이다.
도 25는, 건식 식각후의 기판을 세정하여 에피 준비 상태(epitaxial growth ready state)로 하고, 에피 준비 상태에서의 사파이어 기판의 상면, 단면의 형상 사진을 도시한 도면이다.
도 26은, 실시예 1의 LED의 측정 결과를 도시한 도면이다.
도 27은, 실시예 2의 LED의 측정 결과를 도시한 도면이다.
도 28은, LED의 활성층에서 발광된 광의 파장 분포를 도시한 스펙트럼도이다.
도 29a는, 단계S7의 깊이(h)가 주기(a)의 변수(0<h<5.0a)인 경우의 처리예를 도시한 흐름도이다.
도 29b는, 유전 밴드를 구하는 제1 단계와, 해당 유전 밴드와 공기 밴드와의 차에 의해 주기 구조의 주기(a), 직경(d)를 결정하는 제2 단계를 도시한 흐름도이다.
도 29c는, 제1 단계를 더 상세한 4개의 단계로 나누어 도시한 흐름도이다.
도 30은, FDTD법을 이용한 시뮬레이션 모델(심자외 LED)의 예를 도시한 도면이다.
도 31은, 출력 파장 특성(측벽)을 도시한 도면으로서, 외벽외 4면에 배치한 모니터에서 검출된 출력의 합계치와 파장 분산의 관계를 도시한 도면이다.
도 32는, 출력 파장 특성(저부 정면)을 도시한 도면으로서, 저부 정면에 배치한 모니터에서 검출된 출력치와 파장 분산의 관계를 도시한 도면이다.
도 33은, 출력 파장 특성(측벽+저부 정면)을 도시한 도면으로서, 측벽 4면 및 저부 정면 모니터에서 검출된 합계 출력치와 파장 분산의 관계를 도시한 도면이다.
도 34는, 출력 중심 파장 및 분산된 복수 파장(합계 5파장)에서의 LEE 증가율 평균과 깊이의 관계를 도시한 도면으로서, 측벽, 저부 정면, 측벽+저부 정면의 각 데이터를 도시한 도면이다.
도 35는, 출력비 깊이 특성을 도시한 도면으로서, 측벽/(측벽+저부 정면), 저부 정면/(측벽+저부 정면)의 각 데이터를 도시한 도면이다.
도 36은, FDTD 시뮬레이션 모델(심자외 LED)로서, 도 30에 도시한 포토닉 결정 주기 구조가 사파이어 기판 이면에 설치되어 있는 데 반해 해당 기판 표면에도 가공한 모델을 도시한 도면이다.
도 37은, FDTD법 시뮬레이션 모델(청색 LED)의 예를 도시한 도면이다.
도 38은, 출력 파장 특성(측벽)을 도시한 도면으로서, 측벽외 4면에 배치한 모니터에서 검출된 출력의 합계치와 파장 분산의 관계를 도시한 도면이다.
도 39는, 출력 파장 특성(상부 정면)을 도시한 도면으로서, 상부 정면에 배치한 모니터에서 검출된 출력치와 파장 분산의 관계를 도시한 도면이다.
도 40은, 출력 파장 특성(측벽+상부 정면)을 도시한 도면으로서, 측벽 4면 및 상부 정면 모니터에서 검출된 합계 출력치와 파장 분산의 관계를 도시한 도면이다.
도 41은, LEE 증가율 깊이 특성을 도시한 도면으로서, 측벽, 상부 정면, 측벽+상부 정면의 데이터를 기재하였다.
도 42는, 출력비 깊이 특성을 도시한 도면으로서, 측벽/(측벽+상부 정면), 상부 정면/(측벽+상부 정면)의 데이터를 기재하였다.
도 43은, 도 37에 도시한 FDTD 시뮬레이션 모델(청색 LED)에 대해 포토닉 결정을, 사파이어 기판 표면과 SiO2의 2면에 가공한 모델을 도시한 도면이다.
1A is a diagram showing an example of the configuration of an extra-bright LED.
Fig. 1B is a diagram showing a configuration example of a blue LED.
2A is a diagram showing a first example of a configuration of a high-brightness semiconductor-based external LED according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2B is a diagram showing a second configuration example of a high-brightness semiconductor-based external LED according to the embodiment of the present invention.
2C is a diagram showing a third example of the structure of a high-brightness semiconductor-based external LED according to the embodiment of the present invention.
2D is a diagram showing a first configuration example of a high-luminance semiconductor blue LED according to an embodiment of the present invention.
2E is a diagram showing a second configuration example of a high-luminance semiconductor blue LED according to the embodiment of the present invention.
2F is a diagram showing a third example of the structure of a high-luminance semiconductor blue LED according to the embodiment of the present invention.
Fig. 3 is a view corresponding to Fig. 2A (b), and shows the shapes of the hole 15a and the remaining portion 15b viewed from the rear surface of the substrate.
Fig. 4 is a flowchart showing an example of processing when the depth h of step S7 is a variable of the diameter d (2R) (0 < h < 1.0d).
5 is a flowchart showing an example of processing when the depth h of step S7 is a variable of period a (0 <h <1.0a).
Fig. 6 is a diagram showing an example of a procedure for obtaining an average refractive index (n av ).
7 is a diagram showing an example of the calculation result of the band structure at R / a = 0.4.
8 is a diagram showing a grating band structure in a case where the sapphire surface is flat as a comparison object.
9 is a diagram (R / a = 0.25) obtained by interpreting across the first Brillouin zone and obtaining the isocentric frequency plane for the wavenumber vector (kx, ky) of the? 2 TE band.
10 is a diagram (R / a = 0.4) obtained by interpreting across the first Brillouin region and obtaining the iso-frequency surface with respect to the wavenumber vector (kx, ky) of the? 2 TE band.
11 is a diagram showing the relationship of the refraction angle with respect to the incident angle when R / a = 0.25.
12 is a diagram showing the relationship of the refraction angle with respect to the incident angle when R / a = 0.4.
13 is a diagram showing an example of a FDTD method simulation model.
Fig. 14 is a diagram showing the intensity distribution when there is no periodic structure. Fig.
Fig. 15 is a diagram showing the intensity distribution when there is a periodic structure. Fig.
Fig. 16 is a graph in which the luminance of each analyzed pattern is calculated, and the luminance increase / decrease ratio in the case where the photonic crystal pattern for the no-pattern at the degree m = 3 is plotted as a function of R / a.
Fig. 17 is a graph showing the luminance increase / decrease ratio in the case of having the photonic crystal pattern for the non-pattern at a degree m = 3 as a function of the aspect ratio by calculating the luminance of each analyzed pattern.
Fig. 18 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the semiconductor light emitting device (LED) shown in Fig.
19 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the semiconductor light emitting device (LED) shown in Fig.
20 is a view showing an example of a manufacturing process of the semiconductor light emitting device (LED) shown in Fig.
Fig. 21 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the semiconductor light emitting device (LED) shown in Fig.
22 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the semiconductor light emitting device (LED) shown in Fig.
23 is a view showing a graph of an incident angle and a reflectance in the case where a vacancy is photonically crystallized in sapphire.
24 is a view showing a state in which a polyimide tape P is attached to a checkerboard pattern in a wafer and dry etching is performed.
25 is a view showing a top view and a cross-sectional photograph of a sapphire substrate in an epitaxial preparation state, in which the substrate after the dry etching is cleaned to an epitaxial growth ready state.
26 is a diagram showing the measurement results of the LED of Example 1. Fig.
27 is a diagram showing the measurement result of the LED of the second embodiment.
28 is a spectral diagram showing the wavelength distribution of light emitted from the active layer of the LED.
29A is a flowchart showing an example of processing when the depth h of step S7 is a variable of period a (0 <h <5.0a).
29B is a flowchart showing a second step of determining a period (a) and a diameter (d) of the periodic structure by a first step of obtaining a dielectric band and a difference between the dielectric band and the air band.
29C is a flowchart showing the first step divided into four more detailed steps.
30 is a diagram showing an example of a simulation model (extra-intracreate LED) using the FDTD method.
Fig. 31 is a diagram showing output wavelength characteristics (side walls), showing the relationship between the sum of the outputs detected by the monitor disposed on four outer surfaces and the wavelength dispersion. Fig.
Fig. 32 is a diagram showing the output wavelength characteristics (bottom front face), showing the relationship between output values and wavelength dispersion detected in a monitor disposed on the bottom front. Fig.
Fig. 33 is a diagram showing the output wavelength characteristics (sidewall + bottom front face), showing the relationship between the total output value and wavelength dispersion detected by four side walls and a bottom front monitor.
Fig. 34 is a diagram showing the relationship between the LEE increase rate average and the depth at an output central wavelength and a plurality of dispersed wavelengths (total of five wavelengths), and shows data on the sidewall, the bottom front, and the sidewall + bottom front.
Fig. 35 is a diagram showing the output ratio depth characteristics, showing the respective data of the side wall / (sidewall + bottom front) and bottom front / (sidewall + bottom front).
Fig. 36 is a diagram showing a model processed on the surface of the substrate while the photonic crystal periodic structure shown in Fig. 30 is provided on the back surface of the sapphire substrate as an FDTD simulation model (in-focus LED).
37 is a diagram showing an example of a FDTD method simulation model (blue LED).
Fig. 38 is a diagram showing the output wavelength characteristics (side walls), showing the relationship between the sum of the outputs detected by the monitor disposed on the four sides of the side wall and the wavelength dispersion. Fig.
Fig. 39 is a diagram showing the output wavelength characteristics (upper front face), showing the relationship between the output value and the wavelength dispersion detected by the monitor disposed on the upper front face. Fig.
Fig. 40 is a diagram showing the output wavelength characteristics (sidewall + upper front surface), showing the relationship between the total output value and wavelength dispersion detected on four side walls and the top face monitor.
Fig. 41 is a view showing the LEE increase rate depth characteristic, in which data of side walls, top front, sidewall + top front are described.
Fig. 42 is a view showing the output ratio depth characteristics, and shows data of side walls / (sidewalls + upper front) and upper front / (sidewalls + upper front).
43 is a view showing a model in which a photonic crystal is processed on two surfaces of a sapphire substrate surface and SiO 2 with respect to the FDTD simulation model (blue LED) shown in Fig.

이하, 본 발명의 실시형태에 의한 반도체 발광소자에 대해 심자외 LED 소자를 예로 들어 구체적으로 설명하기로 한다. 상기에서 설명한 도 1a, 도 1b의 구조는, 본 발명의 실시형태에 의한 반도체 발광소자에 적용 가능한 구조의 일례이다. 이하에서는, 도 1a의 구조를 예로 들어 설명하기로 한다. 도 1a에 도시한 심자외 LED 소자는, 사파이어 기판(기판)(1), AlN 버퍼층(버퍼층)(3), n형 AlGaN층(n형 클래드층)(5), AlGaN 활성층(활성층)(7), p형 AlGaN층(p형 클래드층)(9)으로 구성되어 있으며, AlGaN 활성층(7)으로부터의 광은 사파이어 기판(1)의 이면 방향에서 취출되는 LED로서 기능하며 그 중심 파장은 280nm이다. 도 1b의 청색 LED의 구성은 사파이어 기판(21), n형 GaN층(23), GaN 활성층(25), p형 GaN층(27), ITO로 이루어진 투명 전극층(29), SiO2로 이루어진 보호막(31)에 의해 구성되며 그 중심 파장은 455nm이다. n형 AlGaN층(n형 클래드층)(5)에는 n형 전극(4)이 형성되어 있다(이하 동일).Hereinafter, the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention will be specifically described by taking an example of an extra-bright LED element as an example. 1A and 1B described above is an example of a structure applicable to the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention. Hereinafter, the structure of FIG. 1A will be described as an example. 1A includes a sapphire substrate (substrate) 1, an AlN buffer layer (buffer layer) 3, an n-type AlGaN layer (n-type cladding layer) 5, an AlGaN active layer and a p-type AlGaN layer (p-type cladding layer) 9, and the light from the AlGaN active layer 7 functions as an LED taken out from the back surface of the sapphire substrate 1 and has a central wavelength of 280 nm . Structure of the blue LED in Fig. 1b is a protective film made of a sapphire substrate (21), n-type GaN layer (23), GaN active layer (25), p-type GaN layer 27, the transparent electrode layer 29 consisting of ITO, SiO 2 (31), and its central wavelength is 455 nm. In the n-type AlGaN layer (n-type cladding layer) 5, an n-type electrode 4 is formed (the same applies hereinafter).

이하에 심자외 LED 소자 및 청색 LED 소자를 예로 들어 본 실시형태에 의한 반도체 발광소자의 구성예에 대해 AlGaN 활성층 혹은 GaN 활성층을 이용한 예에 대해 설명하기로 한다. 도 2a는, 심자외 LED 소자의 제1 구조예를 도시한 도면으로서, 도 1a에 대응하는 도면이다. 또 도 2d는 청색 LED 소자의 제1 구조예를 도시한 도면으로서, 도 1b에 대응하는 도면이다.Hereinafter, an example using the AlGaN active layer or the GaN active layer with respect to the structural example of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment will be described taking an extra-pixel LED element and a blue LED element as an example. FIG. 2A is a view showing an example of a first structure of an extra-intense LED element, and corresponds to FIG. 1A. 2 (d) is a view showing an example of a first structure of a blue LED element, which corresponds to Fig. 1 (b).

도 2a의 (a)에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(1)의 이면(광취출면)(1a)에, 예를 들면 2차원적인 포토닉 결정 주기 구조(15)가 형성되어 있다. 이 포토닉 결정 주기 구조(15)는, 도 2a의 (b)에도 도시된 것처럼 광취출면(1a)을 소정 깊이로 개구하는 공공부(15a)와, 기판 이면 그대로의 나머지 기판 이면부(15b)가, XY 2차원 평면을 형성하는 기판 이면(1a)내에 X방향 및 Y방향을 따라 주기적으로 형성되어 있다(도 3 참조). 기판 이면부(15b)도 원래의 기판을 공공부(15a)보다 얕은 깊이만큼 깎아 형성해도 좋다.As shown in Fig. 2A, a two-dimensional photonic crystal periodic structure 15 is formed on the back surface (light-extraction surface) 1a of the sapphire substrate 1, for example. The photonic crystal periodic structure 15 includes a hole 15a for opening the light extraction surface 1a to a predetermined depth as shown in FIG. Are periodically formed along the X direction and the Y direction in the substrate back surface 1a forming the XY two-dimensional plane (see Fig. 3). The back surface portion 15b of the substrate may also be formed by cutting away the original substrate by a shallower depth than the space 15a.

도 2 및 도 3에서는, 다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)로서, 공공(15a)과 기판 이면부(15b), 공공(17a)과 기판 상면부, 공공(18a)과 기판 임의 깊이부, 공공(20a)과 SiO2 보호막을 채용하였으나, 이들은 일례이며, 다른 재질에 의한 구조체의 조합이어도 좋다. 아울러 예를 들면 도 2a의 (a)에 도시한 바와 같이 공공부(15a)에는 저부를 가진 것도 포함되고, 또한 주기 구조는 완전한 주기 구조가 아니어도 좋고, 또한 형성하는 영역이 XY 평면 전면이 아니어도 좋다.2 and 3, two systems (structures) having different refractive indices are formed on the substrate 15a and the back surface of the substrate 15b, the upper surface of the substrate 17a and the upper surface of the substrate, public (20a) and SiO 2 A protective film is used, but these are merely examples, and a combination of structures made of different materials may be used. As shown in Fig. 2A, for example, the openings 15a may also have a bottom portion, and the periodic structure may not be a complete periodic structure, and the region to be formed is not the entire XY plane It is good.

도 2b는, 도 2a의 (a)에 도시한 제1 주기 구조(15)에 추가하여 사파이어 기판(1)의 주기 구조(15)와 대향하는 AlN 버퍼층(3)측의 위치에 제2 주기 구조(17)를 형성한 것이다. 이 제2 주기 구조(17)는, 사파이어 구멍을 뚫어 AlN 버퍼층과 동등한 재료로 매립하여 형성하면 된다. 또는 사파이어 필라(pillar)를 형성해도 좋다.2B shows a structure in which the second periodic structure 15 is formed at a position on the side of the AlN buffer layer 3 opposite to the periodic structure 15 of the sapphire substrate 1 in addition to the first periodic structure 15 shown in Fig. (17). The second periodic structure 17 may be formed by burying a sapphire hole and filling it with a material equivalent to an AlN buffer layer. Or a sapphire pillars may be formed.

도 2c는, 도 2a의 (a)에 도시한 제1 주기 구조(15) 대신에 사파이어 기판(1)의 주기 구조(15)와 대응하는 AlN 버퍼층(3)측 임의의 위치에 제3 주기 구조(18)를 형성한 것이다. 이 제3 주기 구조(18)는 사파이어보다 굴절률이 낮은 재료를 매립하여 형성하면 된다. 혹은 사파이어 기판(1)의 이면에 제3 주기 구조(18)를 형성한 후에 사파이어 또는 그 외의 재료로 이루어진 층을 부착하도록 해도 좋다.2C shows a structure in which the third periodic structure 15 is formed at an arbitrary position on the side of the AlN buffer layer 3 corresponding to the periodic structure 15 of the sapphire substrate 1 instead of the first periodic structure 15 shown in Fig. (18). The third periodic structure 18 may be formed by embedding a material having a refractive index lower than that of sapphire. Alternatively, after the third periodic structure 18 is formed on the back surface of the sapphire substrate 1, a layer made of sapphire or another material may be attached.

도 2d는, 이면측에 반사막(15)을 마련하고 SiO2 보호막(31) 안에 공공(20a)을 주기적으로 마련한 제4 주기 구조(20)를 마련한 것이다.FIG. 2D shows a fourth periodic structure 20 provided with a reflective film 15 on the back side and a SiO 2 protective film 31 in which a hole 20a is periodically provided.

아울러 페이스업(face-up) 구조에서는, 사파이어 기판의 표면과 SiO2 보호막(31)의 표면 모두에 포토닉 결정 주기 구조를 형성하는 형태도 가능하다.In addition, in the face-up structure, a photonic crystal periodic structure may be formed on both the surface of the sapphire substrate and the surface of the SiO 2 protective film 31.

도 2e는, 도 2d에 도시한 SiO2 보호막(31) 및 ITO 투명 전극(29) 대신에 반사 전극(31)을 마련하고, 또 반사막(15) 대신에 사파이어 기판(1)의 이면(광취출면)(1a)에 포토닉 결정 주기 구조(15)가 형성되어 있는 구조를 도시한 도면이다.2E shows a case in which a reflective electrode 31 is provided in place of the SiO 2 protective film 31 and the ITO transparent electrode 29 shown in FIG. 2D and the back surface of the sapphire substrate 1 Plane) 1a in which a photonic crystal periodic structure 15 is formed.

도 2f는, 도 2e의 (a)에 도시한 제1 주기 구조(15)에 추가하여 사파이어 기판(1)의 주기 구조(15)와 대향하는 GaN 버퍼층(3)측 위치에 제2 주기 구조(17)를 형성한 것이다. 이 제2 주기 구조(17)는, 사파이어(21)에 구멍을 뚫어 GaN 버퍼층(22)과 동등한 재료로 매립하여 형성하면 된다. 또는 사파이어(21)에 필라를 형성해도 좋다.2F shows a structure in which a second periodic structure is formed at a position on the side of the GaN buffer layer 3 opposite to the periodic structure 15 of the sapphire substrate 1 in addition to the first periodic structure 15 shown in Fig. 17). The second periodic structure 17 may be formed by piercing the sapphire 21 and filling it with a material equivalent to the GaN buffer layer 22. Alternatively, a pillar may be formed on the sapphire 21.

이하에서는, 사파이어 기판 표면(이면)에서의 포토닉 주기 구조를 가진 포토닉 결정(도 2a)을 예로 들어 주기 구조의 파라미터에 대해 시뮬레이션 결과에 근거하여 상세히 설명하기로 한다. 기타 구조를 이용해도 그 작용은 동일하다.Hereinafter, the parameters of the periodic structure will be described in detail on the basis of the simulation results, taking as an example a photonic crystal having a photonic periodic structure on the surface (back surface) of the sapphire substrate (Fig. 2A). Even if other structures are used, the operation is the same.

우선, 결정된 디바이스 구조에서 시뮬레이션에 의해 구조나 소자의 특성 등을 구하였다. 본 시뮬레이션에 사용한 수법은 평면파 전개법과 FDTD법(시간 영역 차분법, finite difference time domain method)을 이용한 방법이다. 평면파 전개법(plane wave expansion method)에서는, 포토닉 결정의 밴드 구조를 해석함으로써 포토닉 결정이 가진 특이한 물리적 성질의 이론적 해석이 가능해지고, 나아가 포토닉 밴드갭을 구함으로써 광의 투과율이 최대화되는 패턴 형상(직경, 주기, 깊이)을 용이하게 구할 수 있게 된다. 그러나 포토닉 결정 경계면에서의 입사광에 대한 출사광의 강도나 각도 분포의 3차원 정보를 얻을 수 없다. 따라서 3차원 FDTD법과의 병용이 단시간에 패턴 형상 최적화를 가능하게 한다.First, the structure and device characteristics were determined by simulation in the determined device structure. The method used in this simulation is a method using the plane wave expansion method and the FDTD method (finite difference time domain method). In the plane wave expansion method, by analyzing the band structure of the photonic crystal, it becomes possible to theoretically analyze the peculiar physical properties of the photonic crystal. Further, by obtaining the photonic band gap, the pattern shape in which the light transmittance is maximized (Diameter, cycle, and depth) of the workpiece can be easily obtained. However, it is impossible to obtain the three-dimensional information of the intensity and the angular distribution of the outgoing light with respect to the incident light at the photonic crystal boundary surface. Therefore, the combination with the three-dimensional FDTD method enables pattern shape optimization in a short time.

본 실시형태에 의한 시뮬레이션에 사용한 수법은, 평면파 전개법과 FDTD법(시간 영역 차분법)을 이용한 것이다. 평면파 전개법에서는, 포토닉 결정의 밴드 구조를 해석함으로써 포토닉 결정이 가진 특이한 물리적 성질의 이론적 해석이 가능해지고, 나아가 포토닉 밴드갭을 구함으로써 광의 투과율이 최대화되는 패턴 형상(직경, 주기, 깊이)을 용이하게 구할 수 있게 된다. 그러나 평면파 전개법에서는, 포토닉 결정 경계면에서의 입사광에 대한 출사광의 강도나 각도 분포의 3차원 정보를 얻을 수 없다. 그래서 3차원 FDTD법을 이용하여 이것을 병용함으로써 단시간에 패턴 형상 최적화의 연산 처리를 가능하게 한다.The technique used in the simulation according to the present embodiment uses the plane wave expansion method and the FDTD method (time domain differential method). In the plane-wave expansion method, by analyzing the band structure of the photonic crystal, the theoretical analysis of the specific physical properties possessed by the photonic crystal becomes possible. Further, by obtaining the photonic band gap, the pattern shape (diameter, Can be easily obtained. However, in the plane wave developing method, it is impossible to obtain the three-dimensional information of the intensity of the emitted light and the angular distribution with respect to the incident light at the photonic crystal boundary surface. Therefore, by using the three-dimensional FDTD method in combination, it becomes possible to carry out arithmetic processing of pattern shape optimization in a short time.

도 3은, 도 2a의 (b)에 대응하는 도면으로서, 기판의 이면에서 본 공공(15a)과, 기판 이면의 나머지 부분(15b)의 2차원적인 배치의 모습을 도시한 도면이다. 주기 구조의 파라미터로서는, 우선 좌상의 x-y좌표에서의, 공공(15a) 사이의 주기(a)와 공공(15a)의 반경(R)을 결정할 필요가 있다.Fig. 3 is a view corresponding to Fig. 2 (b), showing a two-dimensional arrangement of the cavity 15a viewed from the rear surface of the substrate and the remaining portion 15b on the back surface of the substrate. As the parameters of the periodic structure, it is first necessary to determine the period (a) between the cavities 15a and the radius R of the cavities 15a in the upper left x-y coordinate.

다음으로 본 실시형태에 의한 시뮬레이션 방법에 대해 설명하기로 한다. 도 4는, 단계 S7의 깊이(h)가 직경(d)(2R)의 변수(0<h<1. 0d)인 경우의 처리예를 도시한 흐름도이다.Next, the simulation method according to the present embodiment will be described. 4 is a flowchart showing an example of processing when the depth h of step S7 is a variable of the diameter d (2R) (0 &lt; h &lt; 1.0d).

우선, 단계 S1 내지 단계 S3에서 Bragg 산란의 조건을 부여한다. 단계S1에서, 포토닉 결정을 구성하는 원구멍(R), 주기(a)로부터 R/a(0.15<R/a<0.45)를 결정한다. 또 상기를 구성하는 매질의 굴절률(n1,n2)과 R/a로부터 평균 굴절률(nav)을 구한다.First, conditions for Bragg scattering are given in steps S1 to S3. In step S1, R / a (0.15 &lt; R / a &lt; 0.45) is determined from the circular hole R and the period a constituting the photonic crystal. Further, the refractive index (n 1 , n 2 ) of the medium constituting the above and the average refractive index (n av ) from R / a are obtained.

도 6은, 평균 굴절률(nav)을 구하는 순서의 예를 도시한 도면이다. 오른쪽 원(V)과 마름모꼴(W)의 면적비는 2π/30.5*(R/a)2가 된다. 공공(공기)의 굴절률(n1), 사파이어의 굴절률(n2)로 하고 R/a=0.4, n1=1.0, n2=1.82로 하면 평균 굴절률(nav)은 다음 식으로 표현된다.Fig. 6 is a diagram showing an example of a procedure for obtaining an average refractive index (n av ). The area ratio of the right circle (V) and the diamond (W) becomes 2? / 3 0.5 * (R / a) 2 . Refractive index (n 1), the refractive index (n 2) of the sapphire, and when the average refractive index to the R / a = 0.4, n1 = 1.0, n2 = 1.82 (n av) of the public (air) is expressed by the following equation.

nav 2=n2 2+(n1 2-n2 2)*면적비n av 2 = n 2 2 + (n 1 2 -n 2 2 ) * area ratio

=1.822+(12-1.822)*0.58=1.97= 1.82 2 + (1 2 -1.82 2 ) * 0.58 = 1.97

따라서 평균 굴절률(nav)은 1.40으로 구해진다.Therefore, the average refractive index (n av ) is obtained as 1.40.

아울러 실은, 왼쪽 주기 구조는 오른쪽과 같이 마름모꼴(W) 안에 공공(V)이 1개 존재하는 형태로 변형할 수 있다. 그 이유는, 왼쪽 원의 부채(A, B, C, D)를 서로 더하면 원 1개가 완성되기 때문이다.In fact, the left periodic structure can be transformed into a form in which there is one vacancy (V) in the diamond (W) as shown on the right. The reason is that if you add the left-hand debt (A, B, C, D) to each other, one circle is completed.

이어서 단계 S2에서, Bragg의 산란 조건에 파장(λ), 차수(m)(정수:1<m<5), 평균 굴절률(nav)을 입력하여 주기(a)를 차수(m)(2, 3, 4에 대해)마다 구한다.Next, in step S2, the wavelength (?), Order (m) (integer: 1 <m <5) and average refractive index (n av ) are input to the scattering condition of Bragg, 3, and 4).

mλ/nav=2 a의 식에서 1<m<5로 하는 의미는 이하와 같다.1 &lt; m &lt; 5 in the formula of m? / n av = 2 a is as follows.

예를 들면, 사파이어 기판(1)의 이면에 포토닉 결정 주기 구조를 공공으로 작성하는 경우에 대해 생각하기로 한다. 파장:280nm, 사파이어의 280nm에서의 굴절률:1.82이며, 공기 굴절률:1.0으로 하고, 상기에서 R/a=0.4로 하면 nav:평균 굴절률은 1.40이 된다. 이들 값과 m=2, 3, 4를 차례로 Bragg의 산란 조건에 대입하면 이하와 같이 된다.For example, a photonic crystal periodic structure is publicly formed on the back surface of the sapphire substrate 1. A wavelength: 280 nm, a refractive index at 280 nm of sapphire: 1.82, and an air refractive index: 1.0, where R av = 0.4, n av : average refractive index is 1.40. Substituting these values and m = 2, 3, and 4 into the Bragg scattering condition in turn results in the following.

ⅰ) m=2일 때I) When m = 2

 2*280/1.40=2*a2 * 280 / 1.40 = 2 * a

 따라서, a=199이다.Therefore, a = 199.

ⅱ) m=3일 때Ii) When m = 3

 3*280/1.40=2*a3 * 280 / 1.40 = 2 * a

 따라서, a=299이다.Therefore, a = 299.

ⅲ) m=4일 때Iii) When m = 4

4*280/1.40=2*a  4 * 280 / 1.40 = 2 * a

따라서, a=399이다.  Therefore, a = 399.

m의 값은 크게 할 수 있지만, 포토닉 결정 주기(a)의 값도 커진다. 따라서 심자외광의 파장 280nm로부터 멀리 떨어지지 않는 정도의 차수(m)를 사용한다. 어느 차수(m)의 값이 가장 광취출 효율이 좋아지는지 m=2와 3을 계산해보니 m=3의 광취출 효율이 양호하였다.Although the value of m can be increased, the value of the photonic crystal cycle (a) also becomes larger. Therefore, the order m is used so that it does not deviate from the wavelength 280 nm of the intracardiac external light. When calculating the m = 2 and 3 which value of the order (m) is the most effective for the light extraction efficiency, the light extraction efficiency of m = 3 was good.

단계 S3에서, 이미 결정한 R/a와 구한 a로부터 원구멍의 반경(R)을 차수(m)마다 구한다. 또 유전율(ε12)은 굴절률(n1,n2)을 제곱하여 구한다. 유전율(ε)과 굴절률(n)의 관계는 n2=με/μ0ε0으로부터 구하는데, 굴절률(n1,n2)을 곱하여 ε12를 구하기 위해 각각 상기 식으로 구하게 된다.In step S3, the radius (R) of the circular hole is obtained for each degree (m) from the previously determined R / a and the obtained a. Further, the dielectric constant (? 1 ,? 2 ) is obtained by squaring the refractive index (n 1 , n 2 ). The relationship between the permittivity (ε) and the refractive index (n) is obtained from n 2 = με / μ 0 ε 0 , which is obtained by multiplying the refractive index (n 1 , n 2 ) to obtain ε 1 and ε 2 , respectively.

단계 S4 내지 단계 S6에서 평면파 전개법에 의한 해석을 한다.An analysis by the plane wave expansion method is performed in steps S4 to S6.

우선 단계 S4에서, 이미 구한 파장(λ), 유전율(ε12), R/a를 맥스웰의 전자계 파동 방정식에 입력하고 고유치 계산을 파수 공간에서 행하여 TE광, TM광마다의 밴드 구조(Y축:ωa/2πc와 x축:ka/2π를 구한다. 이 결과는, 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.First, in step S4, a band structure (TE) of each of TE light and TM light is calculated by inputting the already obtained wavelength (?), Dielectric constant (? 1 ,? 2 ) and R / a into Maxwell's electromagnetic wave equation Y axis:? A / 2? C and the x axis: ka / 2 ?. The result will be described later with reference to FIG.

단계 S5에서, TE광, TM광의 각 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)와 공기 밴드(제2 포토닉 밴드)로부터 도 7을 참조하여 PBG(포토닉 밴드갭)를 구한다. 단계 S6에서, 단계 S1로 되돌아와 R/a를 변수로서 몇 점 선택하여 단계 S2∼단계 S5를 반복하고, PBG의 크기가 극대를 나타내는 R/a를 몇 점 선택하여 R/a마다의 PBG를 구한다.In step S5, PBG (photonic band gap) is obtained from each dielectric band (first photonic band) of TE light and TM light and air band (second photonic band) with reference to FIG. In step S6, the process returns to step S1, and steps S2 to S5 are repeated by selecting several points with R / a as a variable, and PBGs per R / a are selected by selecting several points of R / a, I ask.

다음으로 단계 S7, S8에서, FDTD법에 의한 해석을 한다. 우선 단계 S7에서, 단계 S6에서 구한 R/a로부터 차수(m)에 대응한 직경(d), 주기(a)를 구하여 깊이(h)(0<h<1.0d)를 결정한다. 이 d, a, h로 이루어진 원구멍을 2개의 매질(굴절률은 n1, n2)의 계면에 주기 구조로 설정하고 FDTD법으로 해석하여 광의 취출 효율과 배광성을 구한다. 예를 들면, 차수(m)=3이면, PBG가 극대가 되는 R/a=0.4이며, R=120, d=240이 된다. 깊이(h)(0<h<1.0d)를 결정할 경우에는, 단순히 직경(d)의 1.0배라는 의미이므로 h=240이 된다.Next, in steps S7 and S8, an analysis is performed by the FDTD method. First, in step S7, the diameter d and the period a corresponding to the degree m from the R / a obtained in step S6 are determined to determine the depth h (0 <h <1.0d). The circular hole made up of d, a, and h is set as a periodic structure at the interface of two mediums (refractive index is n 1 , n 2 ) and analyzed by the FDTD method to obtain the light extraction efficiency and the light distribution. For example, if the degree (m) = 3, R / a = 0.4 where PBG becomes the maximum, and R = 120 and d = 240. When determining the depth h (0 &lt; h &lt; 1.0d), h = 240 because it simply means 1.0 times the diameter d.

단계 S8에서, d, a, h를 변수로 하여 주기 구조를 초기 조건으로서 설정하고, 단계 S7을 반복하여 광의 취출 효율과 배광성을 구한다. 최종적으로는 d, a, h마다 대응하는 PBG, 광의 취출 효율, 배광성의 데이터가 구해진다.In step S8, the periodic structure is set as an initial condition with d, a, and h as variables, and step S7 is repeated to obtain light extraction efficiency and light distribution. Finally, PBG, light extraction efficiency, and light distribution data corresponding to d, a, and h are obtained.

이 결과는 후술하기로 하는데, 도 15의 주기 구조가 있는 경우의 강도(I)를 동일하게 구하여, 주기 구조가 있는 강도/주기 구조가 없는 경우의 강도(도 14)로부터 광취출 효율이 구해진다.The result will be described later. The intensity (I) in the case of the periodic structure of FIG. 15 is determined in the same manner, and the light extraction efficiency is obtained from the intensity (FIG. 14) .

또 배광성은, 도 15 하단의 원거리장(Far-filed) 전계 성분(Ex, Ey, Ez)의 각도에 대응한 전계 강도 분포도로서 도시되어 있다. 여기서 각각의 전계 성분의 휘도는, 해당 각 도면 아래의 Integral[E]^2의 수치로 표시되며, 해당 수치는 도 14의 해당 주기 구조가 없는 경우에 비해 높은 수치를 나타내고 있다. 또한 Far-field의 전계 분포도의 중심 부근에 휘도가 밝은 부분을 확인할 수 있어 이로부터도 해당 주기 구조가 없는 경우에 비해 정면 휘도가 높다고 판단할 수 있다.The luminous intensity distribution is shown as an electric field intensity distribution diagram corresponding to the angles of Far-filed electric field components (Ex, Ey, Ez) at the bottom of Fig. Here, the luminance of each electric field component is represented by the value of Integral [E] ^ 2 under each of the figures, and the numerical value is higher than that in the case where there is no corresponding periodic structure in Fig. In addition, it is possible to identify the bright portion near the center of the far-field electric field distribution diagram, and thus it can be judged that the frontal luminance is higher than the case where there is no corresponding periodical structure.

도 5는, 단계 S7의 깊이(h)가 주기(a)의 변수(0<h<1.0a)인 경우의 처리예를 도시한 도면이다. 기본적으로는 도 5와 동일한 처리인데, 단계 S7에서, 단계 S6에서 구한 R/a로부터 차수(m)에 대응한 직경(d), 주기(a)를 구해 깊이(h)(0<h<1.0a)를 결정하는 점이 다르다.
5 is a diagram showing an example of processing when the depth h of step S7 is a variable of period a (0 <h <1.0a). (D) and the period (a) corresponding to the degree m from the R / a obtained in the step S6 to obtain the depth h (0 &lt; h &lt; 1.0 a) is determined.

Figure 112014003689599-pct00001
Figure 112014003689599-pct00001

표 1은, 평면파 전개법을 이용하여 해당 광의 주파수와 파수와의 분산 관계를 시뮬레이션할 때 선택한 파라미터 및 그 파라미터에서 구해진 광의 주파수(ω)와 파수(k)의 분산 관계(이하 「밴드 구조」라고 칭한다.)에서 포토닉 결정 효과에 의한 밴드갭의 유무 및 있는 경우에는 그 크기를 나타내는 표이다.Table 1 shows the dispersion relationship (hereinafter, referred to as &quot; band structure &quot;) of the selected parameter and the frequency (?) And the wavenumber (k) of the light obtained in the parameter selected when simulating the dispersion relation between the frequency and the wave number of the light by using the plane wave expansion method ) In the presence or absence of a bandgap due to the photonic crystal effect and its size.

주기 구조의 패턴으로서는, 사파이어 기판에 공기의 홀이 삼각 격자형으로 배열되어 있다. 시뮬레이션에 사용한 파라미터는, 사파이어의 굴절률(1.82), 공기의 굴절률(1.0), R:반경(nm), a:주기(nm), m:차수, PBG:포토닉 밴드갭(무차원화되어 있음)이다.As a pattern of the periodic structure, air holes are arranged in a triangular lattice pattern on a sapphire substrate. The parameters used in the simulation are the refractive index of sapphire (1.82), the refractive index of air (1.0), R: radius (nm), a: period (nm), m: order, PBG: photonic band gap to be.

또 도 7은, 일례로서 계산한 R/a=0.4에서의 밴드 구조를, 도 8은 비교 대상으로서 사파이어 표면이 평탄한 경우의 무격자 밴드 구조를 도시한 도면이다.Fig. 7 shows a band structure at R / a = 0.4 calculated as an example, and Fig. 8 shows a grating band structure in a case where a sapphire surface is flat as a comparison object.

도 7에서, TE란 TE(transversal electric) 모드로서, 전계가 홀에 대해 횡방향으로 존재하고, TM이란 TM(transversal magnetic) 모드로서, 자계가 홀에 대해 횡방향으로 존재하고 있다. 도 7로부터 알 수 있듯이, TE모드, TM모드의 각 밴드 모두 주파수(ω)와 파수(k)의 분산 관계는 이산적(離散的)이며, ω1TE(유전 밴드)와 ω2TE(공기 밴드) 사이에 포토닉 밴드갭(PBG)이 관측되고 있어 교점(CP)을 가진 도 8의 평탄한 경우의 무격자 밴드 구조의 결과와 비교하면 그 형태의 차이가 분명하다.In Fig. 7, TE denotes a transversal electric (TE) mode in which the electric field exists in the transverse direction with respect to the hole, and TM denotes the TM (transversal magnetic) mode in which the magnetic field exists in the transverse direction with respect to the hole. 7, the dispersion relationship between the frequency () and the wave number (k) is discrete in each of the bands of the TE mode and the TM mode, and the dispersion relationship between the frequencies ω1TE (dielectric band) and ω2TE The photonic band gap (PBG) is observed and the difference in shape is clear when compared with the result of the grating band structure in the flat case of FIG. 8 having an intersection point (CP).

도 7과 도 8을 비교한 경우에 분명한 이 현상은, TE모드에서는 전계는 이차원 평면에 평행하게 존재하며 가는 선형의 유전체가 연결된 네트워크 구조일 때 TE모드의 전계는 그 연결한 유전체에 머물기 쉬워진다는 것이다. 즉, 에너지적으로 안정 상태에 있을 수 있어 TE모드에서 포토닉 밴드갭(PBG)이 쉽게 열린다.This phenomenon, which is obvious when comparing FIGS. 7 and 8, is that in the TE mode, the electric field is parallel to the two-dimensional plane, and when a thin linear dielectric is connected to the network structure, the electric field of the TE mode becomes easy to stay in the connected dielectric . In other words, the photonic band gap (PBG) can be easily opened in the TE mode because the photonic bandgap can be stably energized.

다음으로 포토닉 밴드갭(PBG)이 열린 경우에 얻어지는 특성에 대해 고찰하기 위해 ω2TE밴드에 주목하면, 그 밴드단에서 다음 식으로 정의되는 군속도(群速度) 이상(異常)(광의 에너지 전달(propagation) 속도는 군속도:Vg에 의해 결정되며 Vg=dω/dk, Vg=0)이 관측되어 포토닉 결정 효과에 의한 광투과율 증가를 기대할 수 있다는 것을 알 수 있다.Next, paying attention to the ω2TE band in order to consider the characteristics obtained when the photonic band gap (PBG) is opened, it is found that at the band edge, the propagation speed ) Velocity is determined by the group velocity Vg and Vg = dω / dk, Vg = 0), and it can be seen that the optical transmittance increase due to the photonic crystal effect can be expected.

도 7은, 제1 브릴루앙 영역에서의 밴드단 일부(Г점, M점, K점에 둘러싸인 부분)를 해석한 것인데, 여기서 제1 브릴루앙 영역 전체에 걸쳐 해석하여 ω2TE밴드의 파수 벡터(kx,ky)에 대한 등주파수면(equifrequency surface)을 구해 R/a=0.25를 도 9, R/a=0.4를 도 10에 도시한다.7 is an analysis of a part of a band edge (a portion surrounded by points, M points, and K points) in the first Brillouin region. Here, the wave number vector kx , ky) is obtained, and R / a = 0.25 is shown in Fig. 9 and R / a = 0.4 is shown in Fig.

포토닉 결정중에서의 광의 전달 방향은 군속도에 의해 결정되며, 군속도를 구하려면 파수 벡터(k)를 구할 필요가 있다. 이것은 도 9, 도 10에 도시된 것처럼 등주파수면으로 알 수 있다. 상기 도 3에 도시한 바와 같이, 이차원 공간(x,y)에서 사파이어 영역(15b)으로부터 주파수(ω)의 광이 포토닉 결정중에 전달될 때, 입사면과의 접선 방향의 운동량은 보존된다. 이 현상을 파수 공간(kx,ky)(단, k=2πa, a는 주기)로 표현하면, 포토닉 결정중의 파수 벡터의 y방향 성분(ky)은 kya/2π=ωa/2πc·sinθi를 충족한다.The direction of light propagation in the photonic crystals is determined by the group velocity, and the wavevector vector k is required to obtain the group velocity. This can be seen from the iso-frequency side as shown in Figs. 9 and 10. Fig. As shown in Fig. 3, when the light of frequency (ω) is transmitted from the sapphire region 15b in the two-dimensional space (x, y) to the photonic crystal, the momentum in the tangential direction with respect to the incident surface is preserved. If this phenomenon is expressed by the wave space (kx, ky) (where k = 2πa and a is a period), the y direction component (ky) of the wavenumber vector in the photonic crystal is expressed by ky a / 2π = ωa / 2πc · sinθi .

군속도는, 상술한 식 Vg=dω/dk로부터 주파수의 파수 벡터에 대한 구배이며, 등주파수면의 법선 방향을 주파수가 증가하는 방향으로 향하고, 광의 전달 방향은 도 9, 도 10에 도시한 것처럼 화살표 방향을 향한다. 특히 군속도 이상이 관찰되는 점은 도 10에서의 등주파수면 ωa/2πc=0.55의 좌표(kx,ky)=(-0.283, 0.491)이다. ky=0.491을 식 kya/2π=ωa/2πc·sinθi에 대입하면 θi=63°가 구해진다. 한편 광의 전달 방향은 화살표 방향이 되어 굴절각θr의 크기는 식 tanθr=(ky/kx)로부터 -60°로 구해진다. 따라서 입사각과 굴절각의 관계가 θi>0, θr<0이라는 것으로부터, 실질 굴절률 n<0의 상태를 나타내고 음의 굴절 효과가 나타난다는 것을 알 수 있다.The group velocity is a gradient from the above-mentioned expression Vg = d? / Dk to the wavenumber vector of the frequency, and the normal direction of the equal frequency plane is directed in the direction of increasing frequency, Direction. In particular, the point at which the group velocity anomaly is observed is the coordinate (kx, ky) = (-0.283, 0.491) of the constant frequency plane ωa / 2πc = 0.55 in FIG. When ky = 0.491 is substituted into the expression ky a / 2π = ωa / 2πc · sinθi, θi = 63 ° is obtained. On the other hand, the transmission direction of light is the arrow direction, and the magnitude of the refraction angle θr is obtained from the expression tanθr = (ky / kx) to -60 °. Therefore, it can be seen that the relationship between the angle of incidence and the refracting angle is θi> 0 and θr <0, indicating a state of a real refractive index n <0 and a negative refraction effect.

또 입사각에 대한 굴절각의 관계를 R/a=0.25로 한 경우를 도 11에, R/a=0.4로 한 경우를 도 12에 도시한다. 도 11, 도 12 모두 θi와 θr은 항상 반대가 되어 음의 굴절 효과를 나타내고 있다. 또 밴드단 Γ점 근방에서는 약간의 입사각 변화로 큰 굴절각의 변화가 관측되고, 다른 밴드단인 K점에서는 입사각과 굴절각의 변화에 큰 차이는 없지만 입사각이 임계 각도θc=33.3°를 크게 초과하여 포토닉 결정 효과에 의한 투과율 증가를 시사하고 있다. 또한 R/a=0.4에서의 입사각이 R/a=0.25에서의 입사각보다 큰 것으로 보아, R/a와 투과율(즉 광취출 효율)의 상관 관계, 및 PBG(포토닉 밴드갭)의 크기와 광취출 효율에 상관 관계가 있다는 것을 시사하고 있다.Fig. 12 shows a case where R / a = 0.25, and Fig. 12 shows a case where R / a = 0.4 in relation to the angle of incidence with respect to the incident angle. In Figs. 11 and 12, θi and θr are always opposite to each other and exhibit a negative refraction effect. Further, in the band end Γ point vicinity, and the change of the large angle of refraction measured by a slight angle of incidence changes, the other band end the K point, but a large difference in the change of the incident angle and the refractive angle to the angle of incidence is larger than the critical angle θ c = 33.3 ° Suggesting an increase in transmittance due to the photonic crystal effect. The relationship between R / a and the transmittance (i.e., light extraction efficiency) and the relationship between the size of the PBG (photonic band gap) and the light transmittance And that there is a correlation with the extraction efficiency.

다음으로 전술한 평면파 전개법으로 얻어진 패턴 형상을 사용하여 실제로 FDTD법으로 시뮬레이션을 행한 결과를 도시한다. 도 13은, FDTD법 시뮬레이션 모델의 예를 도시한 도면이다. 도 13에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(1) 내의 광원으로부터, 기판(1)의 이면(1a)인 광취출면에 형성된 포토닉 결정 주기 구조(15)를 통해 발광(hν)이 생긴다. 여기서 기판(1)의 이면(1a)으로부터 소정 거리 떨어진 위치에 광의 모니터가 배치되어 있다.Next, simulation results are shown by the FDTD method using the pattern shape obtained by the above-described plane wave expansion method. 13 is a diagram showing an example of a FDTD method simulation model. Light emission hν is generated from the light source in the sapphire substrate 1 through the photonic crystal periodic structure 15 formed on the light extraction surface which is the back surface 1a of the substrate 1 as shown in FIG. Here, a monitor of light is disposed at a position a predetermined distance from the back surface 1a of the substrate 1. [

해석 영역으로서 10㎛×10㎛×6.5㎛의 공간을 설정하고 내부의 적소(適所)에 포토닉 결정, 모니터, 광원을 배치하였다. 본 공간을 분할하는 그리드 사이즈는 20nm이며, 공간 경계에서의 반사파 영향 방지에 완전 흡수 경계 조건을 설정하고 광원에는 LED 광원과 원리적으로 가까운 다이폴 단(單)광원을 이용하였다.A space of 10 mu m x 10 mu m x 6.5 mu m was set as an analysis area, and a photonic crystal, a monitor, and a light source were arranged at a suitable place inside. The grid size for dividing the space is 20 nm, and a full absorption boundary condition is set for preventing reflected waves at the space boundary, and a dipole single light source, which is in principle close to the LED light source, is used as the light source.

도 14는, 사파이어 이면에 주기 구조의 패턴이 없는 경우의 계산 결과로서, (a)에서 (c)까지의 근거리장(Near-field) 전계 성분은, 특정 파장 280nm의 모니터상에서의 전계 강도를 Ex, Ey, Ez성분마다 표시하였다. 또 (d)에서 (f)까지의 원거리장(Far-field) 전계 성분은, Near-field 전계 성분의 x, y를 푸리에 변환(Fourier transform)하여 파수 공간의 전해 분포(원방계 각도 분포,far field angular distribution)를 Ex, Ey, Ez성분마다 표시하였다.14 is a calculation result when there is no pattern of the periodic structure on the back surface of sapphire. The near-field electric field component from (a) to (c) , Ey, and Ez components. Far-field electric field components from (d) to (f) are obtained by Fourier transforming x, y of the Near-field electric field component and calculating the electrolytic distribution of the wavenumber space field angular distribution) are shown for each Ex, Ey, and Ez component.

Figure 112014003689599-pct00002
Figure 112014003689599-pct00002

FDTD 시뮬레이션에서는, 표 2에 도시한 바와 같이 차수(m=3), R/a(0.25, 0.3, 0.35, 0.4), 어스펙트비(깊이/직경으로 0.5, 1.0, 1.5)를 변화시켜 합계 12개의 포토닉 결정 패턴에서의 휘도를 해석하였다. 도 15는, 그 일례로서 차수(m)=3, 어스펙트비0.5, R/a=0.4, 직경/주기=(239nm/299nm)의 패턴의 해석 결과를 도시한 도면이다. (a)에서 (c)까지는 Near-field의 전계 성분을, (d)에서 (f)까지는 Far-field의 전계 성분을 도시한 도면이다. 일반적으로 광강도(I)는 원방계의 전계 성분(Ex, Ey, Ez)을 사용하여 이하의 식으로 표시된다(ε0:진공중의 유전율, c:광속도).In the FDTD simulation, as shown in Table 2, by changing the order (m = 3), R / a (0.25, 0.3, 0.35, 0.4) and the aspect ratio (0.5, 1.0 and 1.5 in depth / The brightness of the photonic crystal pattern was analyzed. Fig. 15 is a diagram showing an analysis result of a pattern of order (m) = 3, aspect ratio 0.5, R / a = 0.4, diameter / period = (239 nm / 299 nm) as an example. (a) to (c) show the near-field electric field components, and (d) to (f) show the far-field electric field components. Generally, the light intensity I is represented by the following equation using the field component (Ex, Ey, Ez) of the circular arc system (? 0 : dielectric constant in vacuum, c: light speed).

I=ε0*c(Ex2+Ey2+Ez2) I = ε 0 * c (Ex 2 + Ey 2 + Ez 2)

이 식을 사용하여 금회 해석한 각 패턴의 휘도를 계산하여 차수(m)=3에서의, 무패턴에 대한 포토닉 결정 패턴을 가진 경우의 휘도 증감율을 R/a 및 어스펙트비의 함수로 그래프화시킨 것이 도 16, 도 17이다.Using this equation, the luminance of each pattern analyzed this time is calculated, and the luminance increase / decrease ratio in the case of having the photonic crystal pattern for the no pattern at the degree (m) = 3 is expressed as a function of R / a and the aspect ratio 16 and 17, respectively.

도 16에서 어스펙트비가 0.5인 경우, 다른 어스펙트비 1.0 및 1.5의 그래프와 비교하면 분명히 경향의 차이가 보인다. 여기서 사용된 패턴은 브래그의 산란 조건을 충족하는 식: mλ/nav=2a, m:차수, a:주기, λ:파장으로부터 구해진다.In Fig. 16, when the aspect ratio is 0.5, there is clearly a tendency of a difference in comparison with the graphs of the other aspect ratios 1.0 and 1.5. The pattern used here is obtained from the formula: mλ / n av = 2a, m: order, a: period, and λ: wavelength satisfying the scattering condition of Bragg.

전술한 평면파 전개법에서는, R/a와 포토닉 밴드갭의 크기에 상관이 있으며 포토닉 밴드갭이 크면 통상 전반사를 일으키는 입사각이어도 광이 굴절되기 때문에 휘도 증가를 기대할 수 있다. 통상, 이차원 삼각 격자 포토닉 결정의 경우, 대칭점으로 포토닉 밴드갭이 열리는데, 그 때의 대칭점 M, K점으로 각각 2 및 3개의 정재파를 만든다. 여기서 정재파(standing wave)란, 다른 방향으로 나아가는 2 이상의 동일 주파수의 웨이브의 간섭으로서, 그 진폭은 2개 이상의 웨이브의 진행 방향 등에 의해 정해진다. 따라서 이 경우에는 정재파의 영향에 의해 R/a:0.3이 R/a:0.35의 경우보다 큰 휘도 증가 효과를 얻을 수 있었다. 또 이 경향은, 도 17에 도시된 것처럼 광범위한 어스펙트비에서도 보인다는 것을 알 수 있다.In the above-described plane wave expansion method, if the photonic bandgap is large, the magnitude of the R / a and the photonic band gap is large, and the light is refracted even at an incident angle that causes total internal reflection. Normally, in the case of a two-dimensional triangular lattice photonic crystal, a photonic band gap is opened as a symmetric point, and two and three standing waves are respectively generated at the symmetric points M and K at that time. A standing wave is an interference of two or more waves of the same frequency traveling in different directions, and the amplitude is determined by the traveling direction of two or more waves. Therefore, in this case, the effect of increasing the luminance was obtained by the influence of the standing wave, as compared with the case of R / a: 0.35. It can also be seen that this tendency is also seen in a wide aspect ratio as shown in Fig.

이상과 같이 포토닉 결정 패턴과 휘도에 관한 법칙성을 정리하면, 이하와 같다.As described above, the photonic crystal pattern and the laws concerning the luminance are summarized as follows.

1) 깊이 방향에서는, 어스펙트비 0.5 정도가 휘도 증가율이 가장 최대가 된다.1) In the depth direction, the luminance increase rate is the maximum at an aspect ratio of 0.5.

2) R/a의 관계에서는, R/a:0.3 또는 R/a:0.4가 이상적이 된다. R/a가 0.4에 가까워지면서 포토닉 결정의 효과를 쉽게 얻을 수 있다는 것은, 이 때의 평균 굴절률이 사파이어와 공기의 중간치로, 유전율의 큰 변화에 기여하는 것으로 보더라도 타당한 결과이다.2) In the relationship of R / a, R / a: 0.3 or R / a: 0.4 is ideal. The fact that the effect of photonic crystal is easily obtained when R / a is close to 0.4 means that the average refractive index at this time is an intermediate value between sapphire and air, which is a reasonable result even if it contributes to a large change in the dielectric constant.

Figure 112014003689599-pct00003
Figure 112014003689599-pct00003

Figure 112014003689599-pct00004
Figure 112014003689599-pct00004

평면파 전개법에 의해 보호막과 공기층에서의 포토닉 밴드갭의 크기를 구한 것을 표 3에, 사파이어 기판 표면과 GaN층과의 계면에서의 포토닉 밴드갭의 크기를 구한 것을 표 4에 각각 기재한다. 보호막과 공기층에서는, R/a가 0.35일 때 포토닉 밴드갭이 가장 크고 광취출 효율이 개선된다. 또 마찬가지로 사파이어 기판 표면과 GaN층 계면에서는 R/a가 0.3일 때 포토닉 밴드갭이 가장 크고 광취출 효율이 개선된다.Table 3 shows the photonic bandgap magnitudes at the interface between the sapphire substrate surface and the GaN layer. Table 4 shows the magnitude of the photonic bandgap at the interface between the sapphire substrate surface and the GaN layer. In the protective film and the air layer, when the R / a is 0.35, the photonic band gap is the largest and the light extraction efficiency is improved. Similarly, when R / a is 0.3 at the interface between the sapphire substrate surface and the GaN layer, the photonic band gap is the largest and the light extraction efficiency is improved.

도 29a 내지 도 29c에서는, 포토닉 결정 주기 구조의 가공 깊이(h)에 관하여 더 최적의 조건의 고찰을 하였다.29A to 29C, a more optimal condition has been considered with respect to the processing depth h of the photonic crystal periodic structure.

도 29a는, 단계 S7의 깊이(h)가 주기(a)의 변수(0<h<5.0a)인 경우의 처리예를 도시한 흐름도이다. 도 29b는, 유전 밴드를 구하는 제1 단계와, 해당 유전 밴드와 공기 밴드와의 차에 의해 주기 구조의 주기(a), 직경(d)을 결정하는 제2 단계를 도시한 흐름도이다. 도 29c는, 상기 제1 단계를 더 상세한 4개의 단계로 나누어 도시한 흐름도이다.29A is a flowchart showing an example of processing when the depth h of step S7 is a variable of period a (0 <h <5.0a). FIG. 29B is a flowchart showing a second step of determining a period (a) and a diameter (d) of the periodic structure by a first step of obtaining a dielectric band and a difference between the dielectric band and the air band. FIG. 29C is a flowchart showing the first step by dividing it into four more detailed steps.

도 29a에 도시한 처리에서는, 도 4, 도 5를 참조하여 설명한 시뮬레이션의 흐름에서, 단계 S7에서의 FDTD법을 이용한 깊이(h)의 시뮬레이션 범위를 0<h<5.0a로 확장했다(도 29a의 단계 S7a).29A, the simulation range of the depth h using the FDTD method in step S7 is extended to 0 &lt; h &lt; 5.0a in the flow of the simulation described with reference to Figs. 4 and 5 (Step S7a).

또 도 29b에서는, 우선 단계 S11에서, 다른 굴절률을 가진 2개의 구조체의 선정 처리로서, 설계 파장(λ)에서 Bragg의 산란 조건을 충족하는 주기(a)와 반경(R)의 비(R/a)를 파라미터로 한, 다른 굴절률을 가진 2개의 구조체로 이루어진 포토닉 결정 주기 구조를 선정한다. 다음으로 단계S 12에서, 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)를 구하는 제1 단계로서, 포토닉 결정 주기 구조로부터 출력되는 평면파를 전계(E), 자계(H)로 전개한 맥스웰의 전자계 파동 방정식Σε-1(G-G')|k+G||k+G'|E(G')=ω2/c2E(G') 및 Σε -1(G-G')(k+G)*(k+G') H(G')=ω2/c2H(G), (ε-1:유전율의 역수, G:역격자 벡터, ω:주파수, c:광속, k:파수 벡터)의 고유치 계산으로부터 TE광 또는 TM광 중 어느 한 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)를 구한다.29B, first, in step S11, as a process of selecting two structures having different refractive indices, a ratio (R / a) between a period (a) and a radius (R) satisfying a scattering condition of Bragg at a design wavelength ) As parameters, a photonic crystal periodic structure composed of two structures having different refractive indices is selected. Next, as a first step of obtaining a dielectric band (first photonic band) in step S12, Maxwell's electromagnetic field wave equation of a plane wave output from the photonic crystal periodic structure developed by an electric field (E) and a magnetic field (H) Σε -1 (GG ') | k + G || k + G' | E (G ') = ω 2 / c 2 E (G') and Σ ε -1 (GG ') ( k + G) * (k + G') H (G ') = ω 2 / c 2 H (G), (ε -1: inverse of the dielectric constant, G: reciprocal lattice vectors, ω: frequency, c: light beam, k: TE light from the eigenvalue calculation of the wave number vector) or TM light (First photonic band) is obtained.

다음으로 단계 S13에서, 주기(a), 직경(d)을 결정하는 제2 단계로서, 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)와 공기 밴드(제2 포토닉 밴드)의 차가 최대가 되는 주기(a)와 직경(d)을 결정한다.Next, as a second step of determining the period (a) and the diameter (d) in step S13, a period a in which the difference between the dielectric band (first photonic band) and the air band (second photonic band) ) And the diameter (d).

도 29c에서, 단계 S21에서, Bragg 산란의 조건(파라미터)의 부여 처리로서 포토닉 결정 주기 구조를 구성하는 반경(R)과 주기(a)의 비R/a를 0.15∼0.45의 범위 내에서 선정한 후, 포토닉 결정의 효과를 얻고자 하는 설계 파장(λ)을 결정하고, 선정한 2개의 구조체 각각의 굴절률(n1) 및 (n2)로부터 평균 굴절률(nav)을 구한다.29C, in step S21, the ratio R / a of the radius R and the period a constituting the photonic crystal periodic structure is selected within the range of 0.15 to 0.45 as the process of giving the condition (parameter) of Bragg scattering Then, the design wavelength λ to obtain the effect of the photonic crystal is determined, and the average refractive index (n av ) is determined from the refractive indices n1 and n2 of the selected two structures.

다음으로 단계 S22에서, Bragg 산란 조건으로부터 주기 구조의 주기(a)를 산출 처리로 하여 mλ/nav=2a로부터 차수(m)(m=1, 2, 3,‥)마다 주기(a)를 산출한다. 단계 S23에서, 주기 구조체의 직경(R)과 유전율의 산출 처리로서, 이미 선정한 R/a로부터 차수(m)마다의 반경(R)을 산출하고, 또 동일하게 선정한 2개의 구조체의 굴절률로부터 이것을 제곱하여 각각의 유전율(ε12)을 산출한다. 단계 S24에서, 맥스웰의 전자계 파동 방정식에서의 고유치 계산 처리로서, 설계 파장(λ), 유전율(ε12), R/a를 맥스웰의 전자계 파동 방정식에 입력한다.Next, in step S22, the period (a) is calculated for each degree (m) (m = 1, 2, 3, ...) from m? / N av = 2a from the Bragg scattering condition, . In step S23, as the diameter R of the periodic structure and the dielectric constant, the radius R for each degree m is calculated from the already selected R / a, and from the refractive indexes of the two structures selected equally, To calculate respective dielectric constants (? 1 ,? 2 ). In Step S24, the design wavelength λ, the dielectric constant (ε 1 , ε 2 ), and R / a are input to the Maxwell electromagnetic wave equation as eigenvalue calculation processing in Maxwell's electromagnetic wave equation.

도 30은, 심자외 LED 구조에서의 FDTD법 시뮬레이션 모델의 예를 도시한 도면이다. 또 주기 구조의 직경(d), 주기(a), 깊이(h)를 구체적으로 산출하는 방법은 전술한 방법과 동일하므로 여기에서는 생략하기로 한다. 아울러 R/a의 값이 구해지면 d=2 R의 관계식에 의해 a는 일의적으로 정해지므로, 전술한 것처럼 깊이(h)를 직경(d)의 변수로 해도 상관없다.30 is a diagram showing an example of a FDTD method simulation model in the extra-bright LED structure. In addition, the method of specifically calculating the diameter d, period (a), and depth (h) of the periodic structure is the same as the above-described method and therefore will not be described here. When a value of R / a is obtained, a is uniquely determined by the relational expression d = 2 R, so that the depth h may be a variable of the diameter d as described above.

깊이(h)의 최적화를 위한 고찰에서, 광의 강도를 검출하는 모니터에 대해서는, 우물층에서 발광한 광은 모든 방향으로 진행하기 때문에 반도체 발광소자의 구조를 감안하여 반사 전극이 있는 상부를 제외한 저부 정면 및 측벽 4면의 합계 5개를 배치하였다. 모니터에서 검출하는 광의 강도는 전계와 자계의 외적(外積)의 절대치로서 단위는 [W]이다. 모니터를 LED 구조 외에 배치한 이유는, LED 내부의 광이 외부에 방출될 때에는 공기와의 굴절률차가 생겨 스넬의 법칙에 따라 내부에서 전반사된다는 실제 LED에 가까운 현상을 고려했기 때문이다.In consideration of the optimization for the depth h, in the case of a monitor for detecting the intensity of light, light emitted from the well layer proceeds in all directions. Therefore, considering the structure of the semiconductor light emitting device, And four sidewalls were arranged in total. The intensity of light detected by the monitor is the absolute value of the external (external) product of the electric field and the magnetic field, and the unit is [W]. The reason for placing the monitor outside the LED structure is that when the light inside the LED is emitted to the outside, there is a difference in refractive index between the LED and the air, and the LED is totally internally reflected according to Snell's law.

또 우물층에서 발광한 광은 p형 GaN 콘택층에서는 흡수되기 때문에 흡수가 없는 p형 AlGaN 콘택층으로 변경한 후에 시뮬레이션을 실시하였다. 따라서 해당 구조는 청색 LED와 동등한 LEE를 얻을 수 있다.In addition, the light emitted from the well layer was absorbed by the p-type GaN contact layer, and therefore, the simulation was performed after changing to the p-type AlGaN contact layer without absorption. Therefore, the structure can achieve LEE equivalent to blue LED.

해석 영역으로서는, 8㎛×8㎛×6㎛의 공간을 설정하고 본 공간을 분할하는 그리드 사이즈를 10nm로 하여 모니터의 외측에 반사파의 영향을 방지할 목적으로 완전 흡수 경계 조건을 설정하고, 광원에는 LED 광원과 원리적으로 가까운 다이폴 단광원을 이용하였다.As the analysis area, a space of 8 mu m x 8 mu m x 6 mu m is set and a grid size of 10 nm for dividing the space is set to a perfect absorption boundary condition for the purpose of preventing the influence of reflected waves on the outside of the monitor, A dipole light source, which is in principle close to the LED light source, was used.

도 31 내지 도 33에 도시한 해석 결과는, 측벽, 저부 정면에서 각각 검출된 출력치로서 배광 특성을 나타내는 것이며, 저부에서 검출된 광이 정면의 휘도를 나타낸다. 도 34는, 측벽, 저부 정면 및 측벽+저부 정면에서의 LEE 증가율과 주기 구조의 주기(a)의 변수로 표시한 깊이(h)와의 관계를 도시한다. 실제 심자외 LED 소자는 페이스다운(플립칩)형이 주류이므로, 이 경우에는 상면부가 대좌(臺座,seat)에 고정된다. 따라서 광이 취출되는 면은 측벽부와 저부 정면이 되는데, 특히 정면이 되는 저부 정면의 LEE 증가율 특성이 중요해진다.The analysis results shown in Figs. 31 to 33 show the light distribution characteristics as output values respectively detected at the side wall and the bottom front surface, and the light detected at the bottom shows the luminance of the front surface. 34 shows the relationship between the LEE increase rate at the sidewall, the bottom front, and the sidewall + bottom front and the depth h indicated by the variable of the period a of the periodic structure. Since the face-down (flip-chip) type is the mainstream in the actual non-optical LED element, in this case, the upper face portion is fixed to the seat. Therefore, the surface from which the light is extracted becomes the side wall portion and the bottom front surface, and in particular, the LEE increase rate characteristic of the front surface as the front becomes important.

도 34로부터 알 수 있듯이, 주기 구조의 깊이(h)가 깊어짐에 따라 측벽부 LEE 증가율은 증가한다. 이것은, 깊이(h)가 깊어지면 브래그 산란 효과를 얻을 수 있는 영역의 표면적이 증대되기 때문이며, 이 LEE 증가율의 증가는 깊이(h)에 거의 비례한다. 이것은, 각 파장 각각에서도 같은 현상이 인정된다.As can be seen from FIG. 34, as the depth h of the periodic structure becomes deeper, the increase rate of the side wall portion LEE increases. This is because, when the depth (h) is deepened, the surface area of the region capable of obtaining the Bragg scattering effect is increased, and the increase in the LEE increase rate is almost proportional to the depth (h). The same phenomenon is recognized at each wavelength.

한편, 저부 정면 LEE 증가율은, 주기 구조의 깊이(h)가 주기(a)의 0.5배까지의 범위에서 급격하게 증가하여 그 값은 50% 가깝게 된다. 그 후, LEE 증가율은 완만하게 증가·감소하여 깊이(h)가 주기(a)의 2.0배가 된 이후에는 거의 횡보가 된다. 즉, 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조 특유의 현상에 의한 LEE 증가율 증대 효과는, 주기 구조의 깊이(h)가 주기(a)의 0.5배∼2.0배의 범위에서 가장 효과가 높다.On the other hand, the bottom frontal LEE increase rate increases sharply in the range of the depth h of the periodic structure up to 0.5 times of the period (a), and the value is close to 50%. Thereafter, the LEE growth rate is gradually increased or decreased, so that the depth h is substantially lagged after 2.0 times the period a. That is, the effect of increasing the LEE increase rate due to the phenomenon unique to the photonic crystal periodic structure having the photonic band gap is most effective when the depth h of the periodic structure is 0.5 to 2.0 times the period (a).

이상으로부터, LED 소자 전체의 LEE 증가율, 즉 측벽부 LEE 증가율과 저부 정면 LEE 증가율의 합은, 해당 주기 구조의 깊이(h)가 주기(a)의 0.5배 이상일 때 현저하다.From the above, the sum of the LEE increase rate of the entire LED element, that is, the increase rate of the sidewall LEE and the increase rate of the bottom front LEE is remarkable when the depth h of the periodic structure is 0.5 times or more of the period (a).

도 35에서는, 주기 구조의 깊이(h)가 0<h<5.0a의 범위에서의, 측벽/(측벽+저부 정면) 및 저부 정면/(측벽+저부 정면) 각각의 출력비를 비교하여 도시한다. 여기서 깊이(h)=0의 경우란, 주기 구조가 없는 경우를 가리킨다. 이에 따르면, 깊이(h)가 0.5a<h<5.0a의 범위에서 각각의 출력비는 거의 6:4로 변화된다. 이 비율은 측벽과 저부 정면의 면적비에 관계되므로, 예를 들면 사파이어 기판의 두께를 바꿈으로써 변경할 수 있다.In Fig. 35, the output ratios of the sidewall / (sidewall + bottom front) and bottom front / (sidewall + bottom front) in the range of 0 <h <5.0a are compared. Here, the case where the depth (h) = 0 indicates the case where there is no periodic structure. According to this, in the range of the depth h of 0.5a <h <5.0a, the respective output ratios are changed to approximately 6: 4. This ratio is related to the area ratio of the side wall and the bottom face, and can be changed, for example, by changing the thickness of the sapphire substrate.

보다 구체적인 저부 정면/(측벽+저부 정면)의 출력비를 증가시키기 위해서는, 기판을 면내에서 분할하여 소자화할 때의 면적을 크게 하고, 한편 사파이어 기판의 두께(수백㎛)를 얇게 하면 된다. 아울러 이 경우, 반도체부의 두께(수㎛)보다 사파이어 기판의 두께를 조정하는 것이 바람직하다. 그리고 이러한 면적비의 조정을 통해 LED 소자의 배광성을 조정할 수 있다.In order to increase the output ratio of the bottom surface / (sidewall + bottom surface) more specifically, it is necessary to increase the area when the substrate is split in the plane and to reduce the thickness of the sapphire substrate (several hundred mu m). In this case, it is preferable to adjust the thickness of the sapphire substrate to be smaller than the thickness (several 占 퐉) of the semiconductor portion. The light distribution of the LED element can be adjusted by adjusting the area ratio.

또한 도 36에는, 심자외 LED 구조의 사파이어 기판의 이면 외에 기판의 표면에도 포토닉 결정 주기 구조를 추가하여 시뮬레이션을 실시했을 때에 얻어진 모델 결과를 도시한다. 각 포토닉 결정의 패턴은, 기판 이면이 홀 형상으로서 직경:230nm, 주기:287nm, 깊이(h)는 주기(a)의 1.0배로 하고, 기판 표면이 필라 형상으로서 직경:299nm, 주기:415nm, 깊이(h)는 주기의 1.0배이다.36 shows a model result obtained when a photonic crystal periodic structure is added to the surface of the substrate in addition to the back surface of the sapphire substrate of the extra-bright LED structure to perform a simulation. Each photonic crystal pattern had a hole shape with a diameter of 230 nm, a period of 287 nm and a depth h of 1.0 times as large as the period a. The substrate surface had a pillar shape with a diameter of 299 nm, a period of 415 nm, The depth (h) is 1.0 times the period.

도 31 내지 도 33의 1.0a+Pillar의 그래프가 도시된 것처럼 측벽, 저부 정면, 측벽+저부 정면 어느 것이든 대략 그 출력치가 홀 1.0a 단량체의 포토닉 결정의 출력치를 웃돌았다. 또 LEE 증가율을 하기 표에 나타낸다.
As shown in the graph of 1.0a + Pillar in Figs. 31 to 33, the output value of the sidewall, the bottom front, the sidewall, and the bottom almost all exceeded the output value of the photonic crystal of the hole 1.0a monomer. The LEE growth rate is shown in the following table.

측벽Side wall 저부 정면Bottom front 측벽+저부 정면Side wall + bottom front 홀1.0aHole 1.0a 10%10% 53%53% 25%25% 홀1.0a+
필라1.0a
Hole 1.0a +
Pillar 1.0a
35%35% 49%49% 40%40%

표 5의 결과로, 사파이어 기판의 양면에 포토닉 결정 주기 구조를 가공한 경우, 이면만의 가공에 비해 LED 소자 전체의 LEE 증가율이 추가로 15포인트, 즉 40%까지 증가하였다.As a result of Table 5, when the photonic crystal periodic structure was processed on both sides of the sapphire substrate, the LEE increase rate of the entire LED device was further increased by 15 points, that is, 40% as compared with the back side process.

마찬가지로 청색 LED 구조에서 FDTD 시뮬레이션을 행하였다. 도 37은 그 구조를 도시한다. 도 38 내지 도 40에 도시한 해석 결과는 상기와 마찬가지로 도 29의 단계 S1 내지 단계 S8을 통해 평면파 전개법 및 FDTD법으로 해석하였다. 중심 파장은 455nm, 포토닉 결정의 주기 구조는 주기(a)=415nm, 직경(d)=299nm, 차수(m)=4이며, 측벽, 상부 정면에서 검출된 출력치는 배광 특성을 나타내고, 상부 정면에서 검출된 광이 정면의 휘도를 나타낸다.Similarly, FDTD simulation was performed on the blue LED structure. 37 shows the structure thereof. The analysis results shown in Figs. 38 to 40 were analyzed by the plane wave expansion method and the FDTD method through steps S1 to S8 in Fig. 29 as described above. (A) = 415 nm, a diameter (d) = 299 nm, and a degree (m) = 4, and the output value detected at the side wall and the upper front surface exhibits the light distribution characteristic, And the light detected at the front surface represents the luminance of the front surface.

실제의 청색 LED 소자는 페이스업 구조가 주류이며, 이 경우 저부가 대좌에 고정되기 때문에 광이 취출되는 면은 측벽부와 상부 정면이 된다. 그리고 도 41은 측벽, 상부 정면, 측벽+상부 정면에서의 LEE 증가율과 깊이(h)의 관계를 도시한다.In a practical blue LED element, a face-up structure is the mainstream. In this case, since the bottom portion is fixed to the pedestal, the side from which light is extracted becomes the side wall portion and the upper front surface. And Fig. 41 shows the relationship between the increase rate of the LEE and the depth (h) at the sidewall, the upper front surface, and the sidewall + upper front surface.

도 41로부터 알 수 있듯이, 측벽의 LEE 증가율은, 적어도 깊이(h)가 0.5a∼5.0a의 범위에서 깊이(h)에 거의 비례하여 증대된다. 따라서 깊이(h)와 상부 정면의 LEE 증가율의 상관에 크게 좌우되지 않고 측벽+상부 정면의 LEE 증가율, 즉, LED 소자 전체의 LEE 증가율은 포토닉 결정 주기 구조의 가공 깊이(h)에 거의 비례하여 증대한다. 또 측벽과 상부 정면의 출력비 깊이 특성은 도 42에 도시한 바와 같이 대략 35:65이다.As can be seen from Fig. 41, the LEE increase rate of the side wall increases at least approximately in proportion to the depth h in the range of the depth h from 0.5a to 5.0a. Therefore, the increase rate of the LEE on the sidewall + top face, that is, the LEE increase rate of the entire LED device, is not nearly dependent on the correlation between the depth (h) and the LEE increase rate on the top face, Increase. Also, the output ratio depth characteristics of the side wall and the upper front surface are approximately 35:65 as shown in Fig.

또한 도 43에는, 청색 LED 구조의 SiO2 보호막에 포토닉 결정을 추가하여 시뮬레이션을 실시했을 때의 모델을 도시한다. 각 포토닉 결정의 패턴은, 기판 표면이 필라로 직경:299nm, 주기:415nm, 깊이(h)는 주기(a)의 1.0배로 하고, SiO2 보호막이 홀이며 직경:499nm, 주기:713nm, 깊이(h)는 SiO2보호막의 막두께300nm로 한정되기 때문에 260nm로 하였다. LEE 증가율을 하기 표에 나타낸다.Also Fig. 43, the blue LED structure SiO 2 And a photonic crystal is added to the protective film to perform simulation. Pattern of each photonic crystal, the substrate surface is in pillar diameter: 299nm, period: 415nm, a depth (h) is 1.0 times of the period (a), and, SiO 2 The protective film is a hole having a diameter of 499 nm, a period of 713 nm, and a depth h of 260 nm because the film thickness of the SiO 2 protective film is limited to 300 nm. LEE growth rate is shown in the following table.

측벽Side wall 상부 정면Top face 측벽+상부 정면Side wall + upper front 필라1.0aPillar 1.0a 18%18% 37%37% 24%24% 필라1.0a+홀260nmPillar 1.0a + hole 260nm 17%17% 45%45% 27%27%

표 6의 결과로, 사파이어 기판의 표면과 SiO2보호막의 이면에 포토닉 결정을 가공한 경우, 표면만의 가공에 비해 LED 소자 전체의 LEE 증가율이 3포인트, 즉 27%까지 증가하였다.As a result of Table 6, when the photonic crystal was processed on the surface of the sapphire substrate and the back surface of the SiO 2 protective film, the LEE increase rate of the entire LED device was increased to 3 points, that is, 27% as compared with the surface only processing.

다음으로 포토닉 결정 탑재 LED의 제조 프로세스에 대해 설명하기로 한다.Next, the manufacturing process of the photonic crystal mounted LED will be described.

<실시예><Examples>

[실시예 1][Example 1]

도 18∼도 22는, 도 1에 도시한 반도체 발광소자(LED)의 제조 프로세스의 일부(포토닉 결정 구조의 작성 순서)의 예를 도시한 도면이다.Figs. 18 to 22 are diagrams showing examples of a part of the manufacturing process of the semiconductor light emitting device (LED) shown in Fig. 1 (a procedure for preparing a photonic crystal structure).

우선 도 18에 도시한 바와 같이, 주기 구조를 작성하기 위한 석영제 금형(마스터 몰드)(100)을 준비한다. 기판(101)의 금형 패턴(103)은, R/a=0.3, 직경, 주기, 깊이는 각각 155nm, 263nm, 361nm이다.First, as shown in Fig. 18, a quartz mold (master mold) 100 for preparing a periodic structure is prepared. The mold pattern 103 of the substrate 101 has R / a = 0.3, a diameter, a period, and a depth of 155 nm, 263 nm, and 361 nm, respectively.

사파이어 기판의 포토닉 결정 가공에는 나노 임프린트에 의한 레지스트 패터닝을 하고, 계속해서 ICP 식각에 의한 레지스트를 마스크로 하여 사파이어를 건식 식각한다. 그런데 100nm 오더의 미세 패터닝에는 KrF 등의 스텝퍼가 이용되는데 비용 상승과 또 기판의 휨 등이 있는 경우에 노광에 부작용이 생기는 등의 문제가 있다.For photonic crystal processing of a sapphire substrate, resist patterning is performed by a nanoimprint, and subsequently, sapphire is dry-etched using a resist by ICP etching as a mask. However, a stepper such as a KrF is used for fine patterning of a 100 nm order, and there is a problem that a side effect is caused in exposure when the cost is increased and the substrate is warped.

한편 나노 임프린트의 공정에서는, 사파이어 기판이나 질화물 반도체 층의 휨 등이 있는 경우, 석영제 금형으로 직접 사파이어 기판상 레지스트에 가압·UV전사를 실시하면 금형 패턴이 파손될 우려가 있기 때문에 여기에서는 도 18에 도시한 것처럼 석영제 금형(100)으로부터 일단 필름(수지) 몰드(110)(111·113)를 작성하고(b), 그 필름 몰드(110)를 사용하여 사파이어 기판(121) 상에 도포한 레지스트(123)에 패턴(125)을 전사시키는 방법을 채용하였다. (d)∼(g)는, 실제 패턴의 형상을 나타내는 SEM 사진이다.On the other hand, in the case of the nanoimprint process, if the sapphire substrate or the nitride semiconductor layer is warped or the like, the mold pattern may be broken if pressure / UV transfer is performed directly on the resist on the sapphire substrate with the quartz mold. (B) a film mold 110 (111, 113) is formed from a quartz mold 100 as shown in the figure and then the film mold 110 is coated with a resist A method of transferring the pattern 125 onto the substrate 123 is adopted. (d) to (g) are SEM photographs showing the shapes of actual patterns.

이 방법에 의해, 기판의 휨이나 미소한 돌기물에도 충분히 수용할 수 있는 전사가 가능해진다. 패턴 전사 후의 사파이어의 식각은 ICP식각으로서 도 19, 도 20과 같이 행하는데 고정밀도의 가공은 상당히 어렵다. 단결정 사파이어는 산, 알칼리 어느 것에도 용해되지 않아 레지스트의 사파이어에 대한 식각 선택비는 충분한 것이 없으며 통상의 노광용 포토레지스트에서는 선택비가 0.5∼0.7 정도가 일반적이다. 또 UV 경화형 나노 임프린트에서는, 레지스트의 유동성과 경화 후의 선택비는 트레이드 오프의 관계에 있으며 선택비는 0.5이하로 충분한 값은 아니다.According to this method, it is possible to sufficiently transfer the substrate to warp and minute projections. Etching of sapphire after pattern transfer is performed as ICP etching as shown in Figs. 19 and 20, and processing with high precision is extremely difficult. The single crystal sapphire does not dissolve in either acid or alkali, and the etching selectivity ratio to the sapphire of the resist is insufficient. In general photoresist for photoresist, the selection ratio is generally about 0.5 to 0.7. In the UV curable nanoimprint, the flowability of the resist and the selectivity after curing are in a trade-off relationship, and the selectivity is 0.5 or less, which is not a sufficient value.

본 실시예 1에서는, 금형 패턴의 최적화, 나노 임프린트에 의한 레지스트 패터닝의 최적화, ICP 건식 식각에 의한 사파이어 가공의 최적화를 행하여 도 18에 도시한 바와 같이 사파이어 기판 이면에 공기 홀의 삼각 격자 배열로서, 어스펙트비 0.5 및 1.0과, 설계와 동일한 포토닉 결정의 패턴을 얻을 수 있어 프로세스 기술을 확립할 수 있다(직경 127nm/주기 252nm/높이 359nm).In the first embodiment, optimization of the mold pattern, optimization of resist patterning by nanoimprint, and optimization of sapphire processing by ICP dry etching are performed to form a triangular lattice array of air holes on the back surface of the sapphire substrate as shown in Fig. The spectral ratios 0.5 and 1.0 and the same photonic crystal pattern as the design can be obtained to establish the process technology (diameter 127 nm / cycle 252 nm / height 359 nm).

실제로 건식 식각 가공한 후의 포토닉 결정의 단면을 관찰하면, 도면에 도시한 바와 같이 완전한 구형이 아닌 75∼80도 정도의 테이퍼 각도가 져 있다. 시뮬레이션에서는 완전 직사각형으로 행하기 때문에 약간의 수치 변경이 있다.When the sectional view of the photonic crystal after the dry etching is actually observed, as shown in the figure, the taper angle is about 75 to 80 degrees rather than the complete spherical shape. In the simulation, there is a slight numerical change because it is done with a perfect rectangle.

도 23은, 사파이어에 포토닉 결정 가공을 하여 공공을 형성한 경우의 입사각·반사율의 그래프를 도시한 도면이다. 완전 직사각형의 경우에는, 대략 3∼5%정도의 반사가 생긴다는 것을 알 수 있다. 그 이유로서는, 공기와 사파이어의 계면에서는 급격한 굴절률의 변화가 생겨(이 경우에는 R/a:0.4로서 평균 굴절률을 1.4로 계산한다.) 일부 광이 반사되기 때문이다. 한편 요철이 파장에 가까운 주기에서 테이퍼 각도가 존재하는 경우에는, 사파이어로부터 공기를 향해 굴절률이 완만하게 변화하도록 광에는 감지된다. 따라서 급격하게 굴절률이 변화하는 계면이 없기 때문에 광은 반사하지 않게 되어 그만큼 휘도가 증가한다.23 is a view showing a graph of an incident angle and reflectance when a sapphire is subjected to photonic crystal processing to form a vacancy. It can be seen that in the case of a completely rectangular shape, reflection of about 3 to 5% is generated. The reason is that a sudden change in the refractive index occurs at the interface between air and sapphire (in this case, R / a is 0.4, and the average refractive index is 1.4). On the other hand, when the taper angle exists in the period in which the concavities and convexities are close to the wavelength, the light is detected such that the refractive index changes gently from the sapphire to the air. Therefore, since there is no interface where the refractive index rapidly changes, the light is not reflected, and the brightness is increased accordingly.

단, 건식 식각 프로세스에서는, 도 24에 도시한 바와 같이 웨이퍼 내의 바둑판 형태에 폴리이미드 테이프(P)를 붙여 건식 식각을 하였다. 폴리이미드 테이프(P)가 부착된 영역은 건식 식각되지 않고 유기 세정하면 레지스트 패턴도 없어진다. 이것은, 나중에 결정 성장하여 LED를 작성·평가할 때에 포토닉 결정 패턴 유무시의 휘도차를 같은 웨이퍼 내에서 비교하면서 관찰할 수 있도록 하기 위함이다.However, in the dry etching process, as shown in Fig. 24, the polyimide tape P was attached to the wafer in the form of a checkerboard, and dry etching was performed. The region where the polyimide tape P is adhered is not dry-etched, and if the organic cleaning is performed, the resist pattern is also lost. This is to make it possible to observe the luminance difference in the presence or absence of the photonic crystal pattern in the same wafer when the crystal grows later to form and evaluate the LED.

다음으로 건식 식각 후의 기판을 세정하여 에피택셜 제어의 준비가 갖춰진 상태로 한다. 그 후에, 예를 들면 MOCVD법을 이용하여 소정의 성장 조건을 정리한 레시피를 사용하여 결정 성장을 행한다. 결정 성장 후의 기판에 전극을 형성하고 소자를 분할하여 적분구에 의해 LED의 파장·휘도를 측정한다.Next, the substrate after the dry etching is cleaned to prepare for the preparation of the epitaxial control. Thereafter, crystal growth is carried out by using, for example, a recipe in which predetermined growth conditions are summarized by MOCVD. An electrode is formed on the substrate after the crystal growth, the element is divided, and the wavelength and brightness of the LED are measured by an integrating sphere.

해당 LED의 활성층에서 발광된 광의 파장은 270nm이며, 도 28에 그 스펙트럼을 도시한다. 도 26은, 실시예 1의 측정 결과를 도시한 도면이다. 도 26에서는, 포토닉 결정 패턴의 유무를 I-V, I-L, EQE 특성으로 나타내고 있다(I:전류, V:전압, L:출력, EQE:외부 양자 효율).The wavelength of the light emitted from the active layer of the LED is 270 nm, and the spectrum thereof is shown in Fig. 26 is a diagram showing the measurement results of the first embodiment. In FIG. 26, the presence or absence of a photonic crystal pattern is represented by I-V, I-L, and EQE characteristics (I: current, V: voltage, L: output, EQE: external quantum efficiency).

Figure 112014003689599-pct00005
Figure 112014003689599-pct00005

표 7에 나타낸 것처럼, 건식 식각 후의 공공의 건식 식각(DE) 후의 평균 R/a는 금형의 R/a보다 작은 값이 되기 때문에 휘도 평가는 DE 후의 평균 R/a를 사용한다.As shown in Table 7, since the average R / a after the dry etching (DE) after the dry etching becomes smaller than the R / a of the mold, the brightness evaluation uses the average R / a after DE.

표 1에서는, DE 후의 평균 R/a가 0.257이면 포토닉 밴드갭은 충분히 열려 있기 때문에 휘도의 효과를 기대할 수 있지만, 깊이 80nm인 경우의 측정 결과는 포토닉 결정 패턴의 유무에 관계없이 상관성이 관측되지 않았다. 깊이 방향의 요인이 작용된 것으로 생각된다. 한편 깊이가 160nm인 경우, DE후 평균 R/a는 0.209가 되어 표 1의 포토닉 밴드갭이 열리는지 여부는 미묘하다. 그러나 포토닉 결정 패턴의 유무에는 약간의 상관성이 보인다. 출력으로 10%정도 증가하였다. 깊이 방향도 약간이나마 작용할 가능성도 있어 하기 실시예 2와의 비교로 판단한다.In Table 1, when the average R / a after DE is 0.257, the effect of luminance can be expected because the photonic band gap is sufficiently wide. However, the measurement result in the case of the depth 80 nm shows that the correlation is observed regardless of the presence or absence of the photonic crystal pattern It was not. It is considered that factors in the depth direction are applied. On the other hand, when the depth is 160 nm, the average R / a after DE is 0.209, so whether or not the photonic band gap shown in Table 1 is opened is subtle. However, there is some correlation with the presence or absence of the photonic crystal pattern. Output increased by 10%. The depth direction may also act a little, and it is judged by comparison with Example 2 below.

[실시예 2][Example 2]

마찬가지로 도 18에 도시한 바와 같이 석영제의 금형(100)을 준비한다. 금형 패턴(103)은 R/a=0.38, 직경, 주기, 깊이는 각각 230nm, 299nm, 371nm이다. 실시예 1의 경우와 마찬가지로 사파이어 기판의 포토닉 결정 가공에는 나노 임프린트에 의한 패터닝을 하고, 계속해서 ICP 건식 식각에 의한 레지스트를 마스크로 하여 사파이어를 건식 식각하고, 도 21, 도 22에 도시한 바와 같이 사파이어 기판 이면에 공기 홀의 삼각 격자 배열로 어스펙트비 0.5와 0.8의, 설계에 따른 원하는 대로의 포토닉 결정의 패턴을 얻을 수 있어 프로세스 기술을 확립할 수 있었다.Similarly, a quartz mold 100 is prepared as shown in Fig. The mold pattern 103 has a R / a of 0.38, a diameter, a period, and a depth of 230 nm, 299 nm, and 371 nm, respectively. As in the case of Embodiment 1, the sapphire substrate is patterned by nanoimprinting in the photonic crystal processing, and subsequently the sapphire is dry-etched using the resist by ICP dry etching as a mask. As shown in Figs. 21 and 22 As a result, it was possible to obtain a desired pattern of photonic crystals according to the design with the aspect ratios of 0.5 and 0.8 with a triangular lattice arrangement of air holes on the sapphire substrate backside, thereby establishing the process technology.

다음으로 건식 식각 후의 기판을 세정하여 식각 준비 상태로 한다. 식각 준비 상태에서의 사파이어 기판의 상면, 단면의 형상 사진을 도 25에 도시한다. (a)는 상면, (b)는 단면, (c)는 (b)의 확대 사진이다. 그 후 MOCVD법에 의해 소정의 레시피를 사용하여 결정 성장을 한다. 결정 성장 후의 기판에 전극을 형성하고 소자를 분할하여 적분구에서 LED의 휘도를 측정하였다.Next, the substrate after dry etching is cleaned to be in an etching ready state. FIG. 25 shows a photograph of the shape of the top surface and the cross section of the sapphire substrate in the etching ready state. (a) is a top view, (b) is a cross section, and (c) is an enlarged view of (b). Thereafter, crystal growth is performed using a predetermined recipe by the MOCVD method. An electrode was formed on the substrate after the crystal growth, and the device was divided to measure the brightness of the LED in the integrating sphere.

실시예 2의 LED의 측정 결과를 도 27에 도시한다.The measurement results of the LED of Example 2 are shown in Fig.

Figure 112014003689599-pct00006
Figure 112014003689599-pct00006

우선, 표 8의 DE 후의 평균 R/a의 값은, 깊이 방향이 125nm와 200nm로 여전히 0.263이다. 이 값이면, 표 1로부터도 포토닉 밴드갭은 충분히 열리기 때문에 포토닉 결정의 패턴 유무와 휘도와의 상관성에 기대할 수 있다. 실제로 도 27의 측정 결과를 보면, 구멍이 깊이 125nm, 200nm인 경우에도 포토닉 결정 주기 구조를 마련함에 따른 휘도 향상의 효과가 충분히 나타나 있다. 전류로 본 출력치는 모두 20퍼센트 정도 증가하였다. 또 깊이 방향의 차이에 관해서도, 깊이가 200nm이면 인가 전압, 전류 모두 깊이 125nm의 그것보다 커서 출력치 자체도 크다는 것을 알 수 있다.First, the average R / a value after DE in Table 8 is still 0.263 at 125 nm and 200 nm in the depth direction. If this value is satisfied, the photonic band gap is sufficiently opened also from Table 1, so that the correlation between the presence or absence of the photonic crystal pattern and the luminance can be expected. Actually, the measurement result of FIG. 27 shows the effect of improving the luminance by providing the photonic crystal periodic structure even when the holes have depths of 125 nm and 200 nm. The current output increased by 20 percent. As for the difference in the depth direction, it can be seen that both the applied voltage and the current are larger than those of the depth of 125 nm and the output value itself is also large when the depth is 200 nm.

도 25의 상부 직경은 249nm, 하부 직경은 162nm로서, 표 6의 상부 직경 및 하부 직경과 비교하면 각각 59nm, 37nm만큼 크다. 사파이어 기판의 건식 식각은 염소계 가스를 사용한 반응성 이온 식각을 하며, 사파이어의 성분인 알루미늄과 산소를 절단하여 산소를 환원하면서 식각이 진행되기 때문에 식각 측벽에 알루미늄이 부착되고 그 결과 건식 식각 직후의 상부, 하부의 직경이 여유있게 계측되었다. 측벽 부착물의 양이 식각 시간에 비례한다고 가정하고 표 7 및 표 8의 결과를 보정하여 표 9에 나타낸다.The upper and lower diameters of FIG. 25 are 249 nm and 162 nm, respectively, which are larger by 59 nm and 37 nm, respectively, than the upper diameter and lower diameter of Table 6. The dry etching of the sapphire substrate is performed by reactive ion etching using a chlorine-based gas, and aluminum is attached to the etching side wall due to the etching while reducing oxygen by cutting aluminum and oxygen, which are components of sapphire, The diameter of the lower part was measured with margin. Assuming that the amount of the side wall deposit is proportional to the etching time, the results of Tables 7 and 8 are corrected and shown in Table 9.

Figure 112014003689599-pct00007
Figure 112014003689599-pct00007

표 9의 보정 결과 및 실시예 1 및 실시예 2의 결과를 정리하면, 포토닉 밴드갭의 크기와 광취출 효율 사이에는 거의 비례 상관성이 존재하고 또 깊이 방향에 관해서도 직경과 동등한 값일 때 상관성이 보다 효과적이라는 것을 알 수 있었다.As a result of the correction of Table 9 and the results of Example 1 and Example 2, there is almost a proportional correlation between the photonic bandgap size and the light extraction efficiency, and when the depth direction is equivalent to the diameter, And it was effective.

지금까지 얻어진 결과로서, 사파이어 기판에 건식 식각하면 금형의 형상과 건식 식각 후 레지스트 잔사 제거 후의 형상에 관하여 식각 바이어스치가 있다는 것이 판명되었다. 설계대로 효과를 얻을 수 있도록 이 식각 바이어스치를 보정하여 마스터 금형을 작성할 경우의 시뮬레이션 결과를, 주기 299nm, 금형 R/a 0.385의 케이스를 상정하여 표 10에 나타낸다.As a result obtained so far, it has been found that when the dry etching is performed on the sapphire substrate, there is an etching bias value with respect to the shape of the mold and the shape after removal of the resist residue after dry etching. Table 10 shows the results of simulation when a master mold is prepared by correcting the etching bias value so as to obtain an effect as designed, assuming a case of a cycle of 299 nm and a mold R / a of 0.385.

Figure 112014003689599-pct00008
Figure 112014003689599-pct00008

건식 식각 후 레지스트 잔사 제거 후의 측벽 각도 78도이고 중간 직경이 230nm, R/a:0.385를 확보하는 금형 설계치는, 표 10으로부터 중간 직경치에서 30nm 크게, 금형의 측벽 각도를 89.0도로 하면 가능하다는 것을 알 수 있었다. 이로써 포토닉 결정의 설계, 금형의 작성, 레지스트 선정, 나노 임프린트에 의한 전사, 건식 식각까지의 프로세스를 통합하여 관리하는 것(프로세스 인티그레이션)이 가능해졌다.The mold design value for securing the intermediate diameter of 230 nm and the R / a of 0.385 after the dry etching after removal of the resist residue is as large as 30 nm at the intermediate straight view from Table 10 and the angle of the sidewall of the mold is 89.0 degrees Could know. This makes it possible to integrate and manage the processes from photonic crystal design, mold preparation, resist selection, transfer by nanoimprint, and dry etching (process integration).

본 실시형태에 의하면, 사파이어 기판 이면, 또는 사파이어 기판 표면과 GaN층의 계면, 또는 보호막에 광의 매질 중 파장과 동등한 주기를 가진 이차원 포토닉 결정으로 이루어진 요철부를 가공함으로써 경계면상의 광에 관하여 밴드 구조가 형성되어 광의 전달이 불가능해지는 에너지 영역(포토닉 밴드갭)이 존재한다. 포토닉 밴드갭 내의 파장을 가진 광은, 주기 구조가 형성된 면내를 전달되지 못하고 이 면에 수직인 방향으로만 전달된다. 따라서 활성층에서 방출되어 사파이어 기판 이면, 또는 사파이어 기판 표면과 GaN층의 계면, 또는 보호막에 도달한 광은, 공기와의 경계면에서 전반사되지 않고 공기중에 방출되어 결과적으로 광취출 효율도 향상되고 외부 양자 효율과 휘도가 증가한다. 또 정면 휘도가 높은 발광소자가 된다.According to this embodiment, a concave-convex portion made of a two-dimensional photonic crystal having a period equal to the wavelength of light in the medium of the light is processed on the sapphire substrate, the interface between the sapphire substrate surface and the GaN layer, There is an energy region (photonic band gap) in which transmission of light is impossible. Light having a wavelength within the photonic bandgap is not transmitted through the plane in which the periodic structure is formed but is transmitted only in a direction perpendicular to this plane. Therefore, the light emitted from the active layer and emitted from the sapphire substrate or the interface between the sapphire substrate surface and the GaN layer or the protective film is not totally reflected at the interface with the air and is released into the air, resulting in improvement in the light extraction efficiency, And the luminance increases. In addition, the light emitting device has a high frontal luminance.

상기 실시형태에서, 첨부 도면에 도시되어 있는 구성 등에 대해서는 이들로 한정되지 않으며 본 발명의 효과를 발휘하는 범위 내에서 적절히 변경할 수 있다. 기타, 본 발명의 목적의 범위를 벗어나지 않는 한도에서 적절히 변경하여 실시할 수 있다.In the above-described embodiments, the configurations and the like shown in the accompanying drawings are not limited to these, and can be appropriately changed within a range that exerts the effects of the present invention. In addition, the present invention can be appropriately modified without departing from the scope of the present invention.

예를 들면, 상기 설계용 프로그램, 프로그램에 의해 설계된 금형 등도 본 발명에 포함된다. 또 다른 계(구조체)로 이루어진 주기 구조는 2가 아닌 3 이상의 계(구조체)로 이루어져 있어도 좋다. 계는, 공기와 결정뿐 아니라 다른 2종류의 결정으로 이루어져도 좋다.For example, the design program, the mold designed by the program, and the like are also included in the present invention. The periodic structure composed of another system (structure) may be composed of three or more systems (structures) other than two. The system may be composed of two kinds of crystals as well as air and crystals.

상기 실시형태에서 첨부 도면에 도시되어 있는 구성 등에 대해서는 이들로 한정되지 않으며, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위 내에서 적절히 변경할 수 있다. 기타, 본 발명의 목적의 범위를 벗어나지 않는 한도에서 적절히 변경하여 실시할 수 있다.The configurations and the like shown in the accompanying drawings in the above-described embodiments are not limited to these, and can be appropriately changed within a range that exerts the effects of the present invention. In addition, the present invention can be appropriately modified without departing from the scope of the present invention.

또 본 발명의 각 구성요소는 임의로 취사 선택할 수 있으며, 취사 선택한 구성을 구비하는 발명도 본 발명에 포함되는 것이다.In addition, each constituent element of the present invention can be arbitrarily selected and included in the present invention having a selected configuration.

예를 들면, LED의 재료로서는 이하의 소재를 사용함으로써 다양한 색발광 다이오드를 만들어 낼 수 있다.For example, various color light emitting diodes can be produced by using the following materials as materials of LEDs.

·알루미늄 갈륨비소(AlGaAs)-적외선·적· Aluminum gallium arsenide (AlGaAs) - Infrared ray · Red

·갈륨비소인(GaAsP)-적·등(橙)·황· Gallium arsenide (GaAsP) - red, light orange, yellow

·인듐질화갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN)/알루미늄 질화갈륨(AlGaN)-(등·황·)녹·청·자·자외· Indium gallium nitride (InGaN) / Gallium nitride (GaN) / Aluminum gallium nitride (AlGaN)

·인화갈륨(GaP)-적·황·녹· Gallium Phosphide (GaP) - Red, Yellow, Green

·셀렌화아연(ZnSe)-녹·청· Zinc selenide (ZnSe) - green · blue

·알루미늄 인듐갈륨인(AlGaInP)-등·황등·황·녹· Aluminum indium gallium phosphorus (AlGaInP) - etc. · Yellow · Yellow · Yellow · Green

·다이아몬드(C)-자외선· Diamond (C) - Ultraviolet

·산화아연(ZnO)-청·자·근자외선· Zinc oxide (ZnO) - blue, green and near ultraviolet

이하는, 기판으로서 이용된다.The following are used as a substrate.

·기판으로서 탄화규소(SiC) -청As a substrate, silicon carbide (SiC) - blue

·기판으로서 사파이어(Al2O3)-청,자외· Sapphire (Al 2 O 3 ) as substrate - blue, ultraviolet

·기판으로서 규소(Si)-청As the substrate, silicon (Si)

<산업상 이용 가능성>&Lt; Industrial applicability >

본 발명은, 반도체 발광소자에 이용 가능하다. 심자외 LED는 살균·정수로서 유용하며 프로세스 기술은 양산화에 유용하다.The present invention can be applied to a semiconductor light emitting device. The extra-bright LED is useful as sterilization and purification, and the process technology is useful for mass production.

본 명세서에서 인용한 모든 간행물, 특허 및 특허출원을 그대로 참고로서 본 명세서에 도입한 것으로 한다.All publications, patents, and patent applications cited herein are hereby incorporated by reference in their entirety.

1…사파이어 기판, 1a…사파이어 기판(1)의 이면(광취출면), 3…AlN 버퍼층, 5…n형 AlGaN층, 7…n형 AlGaN 활성층, 9…p형 AlGaN층, 15…포토닉 결정 주기 구조, 15a…공공부, 15b…기판 이면부, 21…사파이어 기판, 23…n형 GaN층, 25…n형 GaN 활성층, 27…p형 GaN층, 29…투명 전극층, 31…보호막.One… Sapphire substrate, 1a ... The back surface (light extracting surface) of the sapphire substrate 1, AlN buffer layer, 5 ... n-type AlGaN layer, 7 ... n-type AlGaN active layer, 9 ... p-type AlGaN layer, 15 ... Photonic crystal periodic structure, 15a ... Ball study, 15b ... The back surface of the substrate, 21 ... Sapphire substrate, 23 ... n-type GaN layer, 25 ... n-type GaN active layer, 27 ... p-type GaN layer, 29 ... Transparent electrode layer 31, Shield.

Claims (17)

다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)로 이루어진 포토닉 결정 주기 구조로서,
상기 2개의 계(구조체)의 계면에 있어서, 해당 포토닉 결정 주기 구조를 결정하는 설계파장(λ)과 주기(a)와 반경(R)이 브래그 조건을 충족하고,
해당 주기(a)와 해당 반경(R)의 비(R/a)는 해당 포토닉 결정 주기 구조가 극대의 포토닉 밴드갭을 갖는 값이며,
상기 브래그 조건의 차수(m)는, 1<m<5의 범위인 차수(m)이며, FDTD법을 사용한 시뮬레이션 해석 결과에 의해 설계파장(λ)에 대하여 광취출 효율이 최대로 되는 차수이며,
해당 포토닉 결정 주기 구조를 광취출층에 가진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
As a photonic crystal periodic structure composed of two systems (structures) having different refractive indices,
The design wavelength?, Period (a) and radius (R) for determining the photonic crystal periodic structure at the interfaces of the two systems (structures) satisfy the Bragg condition,
The ratio (R / a) between the period (a) and the radius (R) of the period is a value having a maximum photonic band gap of the photonic crystal periodic structure,
The order m of the Bragg condition is an order in which the light extraction efficiency is maximized with respect to the design wavelength lambda by the simulation analysis result using the FDTD method,
And the photonic crystal periodic structure is contained in the light extraction layer.
청구항 1에 있어서,
상기 포토닉 결정 주기 구조의 깊이(h)가 해당 포토닉 결정 주기 구조의 주기(a)의 0.5배 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
The method according to claim 1,
Wherein a depth h of the photonic crystal periodic structure is 0.5 times or more of a period a of the photonic crystal periodic structure.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 광취출층이 반도체 발광소자의 기판 또는 기판과는 반대측 면에 형성되는 보호막 중 어느 하나인 반도체 발광소자.
The method according to claim 1 or 2,
Wherein the light extraction layer is formed on a surface of the semiconductor light emitting device opposite to the substrate or the substrate.
청구항 3에 있어서,
상기 포토닉 결정 주기 구조가 상기 기판의 임의의 깊이 위치에서의 영역 내에 설치된 반도체 발광소자.
The method of claim 3,
Wherein the photonic crystal periodic structure is provided in a region at an arbitrary depth position of the substrate.
청구항 3에 있어서,
상기 포토닉 결정 주기 구조가 상기 기판의 이면에 주기적으로 형성된 공공을 포함하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
The method of claim 3,
Wherein the photonic crystal periodic structure is formed to include a cavity formed periodically on the back surface of the substrate.
청구항 1에 있어서,
상기 포토닉 결정 주기 구조가, 1 또는 2 이상의 광취출층의 임의의 깊이 위치에서의 영역 내에 2곳 이상 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
The method according to claim 1,
Wherein the photonic crystal periodic structure is formed in two or more regions within a region at an arbitrary depth position of one or two or more light-extraction layers.
청구항 1, 2 또는 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조는,
해당 포토닉 결정 주기 구조로부터 출력되는 평면파를 전계(E), 자계(H)로 전개한 맥스웰의 전자계 파동 방정식Σε-1(G-G')|k+G||k+G'|E(G')=ω2/c2E(G') 및 Σε-1(G-G')(k+G)*(k+G')H(G')=ω2/c2H(G), (ε-1:유전율의 역수, G:역격자 벡터, ω:주파수, c:광속, k:파수 벡터)의 고유치 계산으로부터 구해진 TE광, 또는 TM광 중 어느 한 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)와 공기 밴드(제2 포토닉 밴드)의 차에 의해 해당 구조의 파라미터인 주기(a), 직경(d)이 결정된 포토닉 결정 주기 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
The method according to any one of claims 1, 2 or 6,
Wherein the photonic crystal periodic structure having the photonic band gap comprises:
(GG ') | k + G | k + G' | E (G ') = ω 2 ( 1 ) where Maxwell's electromagnetic field wave equation Σε -1 (GG') developed by developing the electric field E and the magnetic field H from the plane wave output from the photonic crystal periodic structure / c 2 E (G ') and Σε -1 (GG') (k + G) * (k + G ') H (G') = ω 2 / c 2 H (G), (ε-1: the inverse of the dielectric constant, G (The first photonic band) and the air band (the second photonic band), which are obtained from the eigenvalue calculation of the reciprocal lattice vector, ω: frequency, c: luminous flux, k: ) And the diameter (d), which are parameters of the structure, are determined by the difference between the period (a) and the diameter (d) of the photonic crystal periodic structure.
청구항 7에 있어서,
FDTD법에 의해 깊이(h)가 더 결정된 포토닉 결정 주기 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
The method of claim 7,
And a photonic crystal periodic structure in which the depth (h) is further determined by the FDTD method.
청구항 1, 2 또는 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광취출층 포토닉 결정 주기 구조가, 나노 임프린트 리소그래피법을 이용하여 가공된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
The method according to any one of claims 1, 2 or 6,
Wherein the photonic crystal periodic structure of the light extracting layer is processed using a nanoimprint lithography method.
청구항 9에 있어서,
상기 광취출층 포토닉 결정 주기 구조가, 수지 몰드를 통한 금형 패턴의 전사 처리를 이용하여 가공된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
The method of claim 9,
Wherein the photonic crystal periodic structure of the light-extraction layer is processed using a transfer process of a mold pattern through a resin mold.
청구항 1, 2 또는 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 발광소자의 기판이 사파이어인 반도체 발광소자.
The method according to any one of claims 1, 2 or 6,
Wherein the substrate of the semiconductor light emitting element is sapphire.
청구항 1, 2 또는 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 발광소자의 반도체층이 질화물 반도체로 이루어진 반도체 발광소자.
The method according to any one of claims 1, 2 or 6,
Wherein the semiconductor layer of the semiconductor light emitting element is made of a nitride semiconductor.
청구항 9에 있어서,
상기 나노 임프린트 리소그래피법에서 이하의 1) 내지 3)의 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
1) 나노 임프린트용 마스터 금형을 작성할 경우에, 기판의 휨에 대응하기 위해 수지 몰드를 작성하고 상기 수지 몰드를 사용하여 상기 기판상의 레지스트에 전사함으로써 상기 기판상 패턴과 상기 마스터 금형 패턴이 반전되지 않게 한다.
2) 나노 임프린트 후에 건식 식각에 의해 상기 기판을 식각 가공한다. 이 때, 주기(a), 직경(d), 깊이(h)로 금형을 작성하고, 그로부터 수지 몰드를 취해 나노 임프린트로 기판상의 레지스트에 패턴을 전사하고, 그 기판을 건식 식각하여 레지스트 잔사를 제거하여 실제 형상을 측정한다.
3) 이 실제 형상의 측정치와 설계치와의 차인 식각 바이어스치를 반영시켜 재차 마스터 금형을 작성하여 상기 전사·상기 건식 식각·상기 레지스트 잔사를 제거한다.
The method of claim 9,
Wherein the following steps (1) to (3) are used in the nanoimprint lithography method.
1) When a master mold for a nanoimprint is prepared, a resin mold is prepared to cope with the warping of the substrate, and transferred to the resist on the substrate by using the resin mold so that the pattern on the substrate and the master mold pattern are not reversed do.
2) The substrate is etched by dry etching after nanoimprinting. At this time, a mold is formed at a period (a), a diameter (d) and a depth (h), a resin mold is taken therefrom, a pattern is transferred to a resist on the substrate by a nanoimprint, And the actual shape is measured.
3) Reflecting the etching bias value which is the difference between the measured value of the actual shape and the design value, the master mold is again formed, and the transfer, the dry etching, and the resist residue are removed.
다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)로 이루어진 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터 계산방법으로서,
설계파장(λ)에 있어서 상기 포토닉 결정 주기 구조의 반경(R)과 주기(a)의 비(R/a)을 결정하고, 해당 비(R/a)로부터 상기 다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)의 평균 굴절률(n)을 구하는 단계 S1과,
상기 설계파장(λ)DHK 상기 평균 굴절률(n)을 브래그 조건의 식에 입력하고, 주기(a)와 반경(R)을 해당 조건식의 차수(m) 마다 구하는 단계 S2와,
상기 2개의 계의 각각의 유전율(ε,ε)을 구하는 단계 S3와,
상기 단계 S1으로부터 단계 S3에서 구해진 상기 유전율(ε,ε) 및 비(R/a)ㄹ를, 상기 포토닉 결정 주기 구조로부터 출력되는 설계파장(λ)의 평면파를 전계(E), 자계(H)로 전개한 맥스웰의 전자계 파동 방정식 Σε-1(G-G')|k+G||k+G'|E(G')=ω2/c2E(G') 및 Σε-1(G-G')(k+G)*(k+G') H(G')=ω2/c2H(G), (ε-1:유전율의 역수, G:역격자 벡터, ω:주파수, c:광속, k:파수 벡터)에 입력하고, 그의 고유치 계산으로부터 TE광 또는 TM광 중 어느 한 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)를 구하는 단계 S4와,
상기 유전 밴드와 공기 밴드(제2 포토닉 밴드)와의 차에 의해 포토닉 밴드갭을 구하는 단계 S5와,
상기 단계 S1으로부터 상기 단계 S5을 반복하여, 포토닉 밴드갭이 극대를 표시하는 비(R/a)를 구하는 단계 S6과,
상기 단계 S6에서 구해진 비(R/a)로부터 상기 차수(m) 마다 결정된 주기(a), 반경(R)(직경d=2R) 및 소정의 상기 포토닉 결정 주기 구조의 깊이(h)를 이용한 FDTD법에 의한 시뮬레이션 해석에 의해, 상기 설계파장(λ)에 대하여 광취출 효율을 구하는 단계 S7과,
상기 단계 S7을 반복하는 것에 의해 상기 설계파장(λ)에 대하여 광취출 효율이 최대로 되는 상기 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터 등인 주기(a), 반경(R), 1<m<5를 충족시키는 상기 차수(m), 및 깊이(h)를 구하는 단계 S8과,
를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 구조 파라미터 계산방법.
A method for calculating a parameter of a photonic crystal periodic structure composed of two systems (structures) having different refractive indices,
(R / a) between the radius (R) and the period (a) of the photonic crystal periodic structure at a design wavelength (λ) (S1) of obtaining an average refractive index (n) of the structure (structure)
Step S2 of inputting the average refractive index n of the design wavelength λK to the Bragg condition equation and obtaining the period a and the radius R for each degree m of the conditional equation,
A step S3 of obtaining respective dielectric constants? And? Of the two systems,
The dielectric constant (ε, ε) and the ratio (R / a) obtained in the step S1 to the step S3 are obtained by dividing the plane wave of the design wavelength λ outputted from the photonic crystal periodic structure by the electric field E, the magnetic field H ) electromagnetic wave equation of Maxwell deployed to Σε -1 (GG ') | k + G || k + G' | E (G ') = ω 2 / c 2 E (G') and Σε -1 (GG ') (k + G) in (wave number vector ε -1: inverse of the dielectric constant, G: reciprocal lattice vectors, ω: frequency, c:: light beam, k) * (k + G ') H (G') = ω 2 / c 2 H (G), (Step S4) of obtaining a dielectric band (first photonic band) of TE light or TM light from its eigenvalue calculation,
(S5) of obtaining a photonic band gap by a difference between the dielectric band and the air band (second photonic band)
A step S6 of repeating the above step S5 from the above step S1 to obtain a ratio (R / a) representing the maximum photonic band gap,
A period (a), a radius R (diameter d = 2R) and a depth h of the predetermined photonic crystal periodic structure determined for each degree m from the ratio R / a obtained in the step S6 A step S7 of obtaining a light extraction efficiency with respect to the design wavelength? By a simulation analysis by the FDTD method,
(A), radius (R), 1 &lt; m &lt; 5, which is a parameter of the photonic crystal periodic structure in which light extraction efficiency is maximized with respect to the design wavelength A step S8 for obtaining the degree m and the depth h,
And calculating a structural parameter of the semiconductor light emitting device.
청구항 14에 있어서,
상기 단계 S8에 있어서, 깊이(h)를 주기(a)의 0.5배 이상의 범위에 있어서 파라미터 계산하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 구조 파라미터 계산방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the parameter (h) is parameterized in a range of 0.5 times or more of the period (a) in the step S8.
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